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詹姆斯韦伯太空望远镜能看到宇宙的地平线上的星系吗？

(2024-07-22 10:20:29)

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杂谈

詹姆斯韦伯太空望远镜能看到宇宙的地平线上的星系吗？

By Robert Lea

published 24 hours ago

Cosmology

詹姆斯韦伯太空望远镜已经在刚好两年的运行中彻底变革了天文学，但它怎么能在一个只有138亿岁老的宇宙中看到338亿光年外的星系呢？

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星系JADES-GS-z14-0，存在在距离地球338亿光年远处。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA))

自2022年它开始向地球发回数据以来，詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）已经大大影响了天文学，它的最革命性的成就之一是观测一些从来看到的最遥远的星系。然而，因为光不瞬刻的旅行，而是在一个真空中以每秒约3亿米（9.85亿英尺）的速度移动，我们看不到这些星系就像它们今天是的样子而是像它们是数十亿年前的样子。

另外，我们的宇宙被估计是138亿岁老。因此，我们应该假设我们从来希望来看到的最遥远的星系是不超过138亿光年远的。（一光年是光在一年中旅行的距离）。这一点应该是某种“宇宙的地平线”——超过这个地平线没有望远镜应该来看到的。而且，因为没有任何东西能比光速更快旅行穿越太空，这意味着不可能有任何一个距离超过138亿光年的星系和越来越遥远的可能会影响地球。对吗？

错。除非宇宙是这么简单。

亚利桑那大学天文学家也是詹姆斯韦伯太空望远镜高级深部河外勘察（JADES）团队的一员的赫尔顿（Jake Helton）告诉太空网站，“一个宇宙学地平线是一个从其人们可能可能的回收信息的最大距离”。

赫尔顿继续说道，“有几种不同的宇宙学地平线，它们有不同的定义并取决于各种宇宙学量。这里最相关的是是从在宇宙时代中光可能已经旅行到我们的最大距离的宇宙学地平线。这定义了可观测宇宙的边缘” 。

由詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外光谱仪仪器测量的JADES-GS-z14-0的红移光谱。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI). Science: S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration.)

2024年3月，詹姆斯韦伯太空望远镜高级深部河外勘察科学家揭示了这架强大的望远镜已经发现了JADES-GS-z14-0，这是人类已经从来见过的最遥远和早期的星系。然而，矛盾的是JADES-GS-z14-0位于距离我们约338亿光年远处。

我们怎么能看到来自一个如此遥远宇宙不是足够老已经允许它到达了我们的光呢？JADES-GS-z14-0的338亿光年远位置意味着我们看到它就像它是338亿年前一样吗？某些肯定会挑战宇宙年龄的估计？

不是如此。这再次是宇宙有一种可以翻转在他们头上的可感觉的和逻辑的结论的方法的证据。

赫尔顿修辞上问，“一个像JADES-GS-z14-0一样的遥远星系从来被观测到，因为它距离我们超过138亿光年远而且它的光似乎会已经要用比宇宙年龄更长的时间到达我们，答案是宇宙的膨胀” 。

看到一个比时间本身更古老的星系

如果宇宙将仅静止不动坐着，那么来自一个338亿光年外星系的光会要用338亿年来到达我们，就是这样。但在20世纪初，埃德温·哈勃发现了遥远的星系似乎正在从彼此退去，它们分开的越远，它们正在走的就越快。换句话说，宇宙不是静态的，它正在扩张。

这在1998年被进一步复杂，随20世纪接近尾声当两个分开的天文学家团队观察到了不仅宇宙正在膨胀而且膨胀也正在加速时。负责的力量是一个秘密，但它已经被赋予了“暗能量”名字的占位符。

一张图表显示在最初因大爆炸然后当暗能量接管时以一个加速率膨胀的宇宙。 (Image credit: NASA / WMAP Science Team)

在138亿年的宇宙历史中，有两个主要和分明的膨胀时期。第一个是一个快速宇宙膨胀的初始时期，现在通常叫“大爆炸”

这个暴胀时代看到了宇宙被一个10^26倍（10后面跟着25个零）的因子增加了的体积。这相当于你的指甲从每秒1纳米长到突然的到10.6光年（62万亿英里）长。此时，宇宙被能量统治，这一时期被称为能量统治的时代。

随后是一个被在大爆炸后47000年开始的一个物质统治的时代。最终，宇宙的膨胀允许宇宙来冷却到足以允许质子从夸克和胶子形成，然后质子与电子结合来形成第一个氢的原子，这形成了第一批恒星和星系。在此期间，大爆炸驱动的宇宙膨胀减缓到一个近乎停止。

当宇宙刚好不到100亿岁时物质统治的时代出人意料地结束了。这时，宇宙突然的又开始再次快速膨胀。此外，这种扩张越来越快并甚至继续加速到今天。宇宙的第三个重要时期被称为暗能量统治时代。这是我们目前处在的时代。

宇宙地平线的图示，这是我们能用任何望远镜看到的宇宙中最遥远的点ibn。 (Image credit: Pablo Carlos Budassi (CC-by-SA 3.0))

由于这些宇宙的膨胀期，来自JADES-GS-z14-0的光实际上已经一直旅行到詹姆斯韦伯太空望远镜和地球135亿年，尽管它的来源现在是比135亿光年外遥远得多。这意味着詹姆斯韦伯太空望远镜看到JADES-GS-z14-0就像它是在大爆炸后3亿年的样子。没有宇宙的膨胀，JADES-GS-z14-0会仍然是距离我们约135亿光年远，尽管它仍然会已经体验更小的局部运动，这些运动可能会已经移动它一起更靠近或远离附近的星系。但这种星系运动会一直与宇宙膨胀造成的那种运动相去甚远。

按照赫尔顿，宇宙学地平线或“光子地平线”是一个被宇宙的膨胀决定的约为461亿光年边界球体的数字。这是我们不应该能够“看到”一个星系的实际地平线。星系JADES-GS-z14-0真的在这个地平线内。

为避免混淆，天文学家实际上用两种距离测量尺度：一种是消除宇宙膨胀因素的共同移动距离，另一种是包括宇宙膨胀的适当距离。这意味着JADES-GS-z14-0的共同移动长度为135亿光年，而它的适当距离为338亿光年。

不过，JADES-GS-z14-0 和其它遥远的和古老的星系不会总是可见的。

显示光从一个早期星系到詹姆斯韦伯太空望远镜的图表。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

一个拥有詹姆斯韦伯太空望远镜的幸运时代

詹姆斯韦伯太空望远镜能看到JADES-GS-z14-0的事实意味着它曾经与地球和我们当地的宇宙“因果上连接”。换句话说，来自JADES-GS-z14-0的一个信号在银河系中到达我们是可能的，这样一个在这个时间的黎明存在的星系中的“原因”可能有一个在宇宙的现代时代中在我们的星系中的一个“结果”。

赫尔顿说，“任何可观测的星系一定是在粒子地平线内，并且已经在宇宙历史的某个时刻因果上被与我们联系”。

然而，这不再是这种情况。像JADES-GS-z14-0和发现的其他星系一样的星系现在距离我们如此之远并且由于暗能量它们被如此迅速驱动离开我们，以至于它们今天发出的任何信号都从来不能到达我们。这是因为光子地平线以光速移动离开我们，但对真的遥远的天体，银河系和这些星系之间的空间正在以比光速更快膨胀。这可能似乎不像是的，因为阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论将光速设定为一个宇宙速度极限。然而，这是对穿过空间运动的物体的一个规则，而不是一个对空间本身的织造的规则。