2021年12月25日，韋布空間望遠鏡發射升空並順利入軌。

這張美國國家航空航天局提供的照片顯示，韋布空間望遠鏡與火箭分離

    早期宇宙的環境和現在的環境有着極大的差別，誕生於相應環境之中的恒星也肯定有着很大的差別。此次探測到的“晨星”，就為科學家研究早期宇宙提供了一個非常難得的窗口和機會。

文/茍利軍 鄧舒夏 編輯/姚依娜

　　3月30日，英國《自然》雜誌在線刊登了一篇題為《一顆亮度被極度放大、位於紅移6.2的恒星》的文章。文章一上線，就引起了媒體及大眾的極度關注。這顆恒星的紅移信息顯示，它距離地球約280億光年，也就是宇宙大爆炸發生9億年後（距今約129億年前），這顆恒星就已經誕生了。

宇宙時空在膨脹

　　《自然》雜誌這篇文章標題中的“紅移”是一個物理學概念。可以用多普勒效應類比，來理解紅移這個概念。關於多普勒效應，一個常見的例子是救護車警報聲音的變化。救護車從遠處靠近的過程中，警報的頻率會因為多普勒效應變高，人們聽到的警報聲音會變得越來越刺耳。而救護車遠離的過程中，警報的頻率會變低，警報聲音也會變得低沉。

　　與此類似，在宇宙中，當一個産生輻射的天體源遠離我們運動時，相較它靜止時的波長，它産生的輻射波長會朝着電磁波譜的紅端移動，波長會增大，頻率會變小，這就是紅移現象。可以想象，如果天體源朝向我們運動，它産生的輻射波長就會朝着電磁波譜的藍端移動，波長會減小，頻率會變大，這就是藍移現象。

　　1929年，美國天文學家哈勃通過觀測發現，很多星系都在遠離地球，並且距離地球越遠，星系的退行速度越快，這一觀測結果成為宇宙大爆炸學説的重要基礎。如今，主流的宇宙大爆炸學説告訴我們，宇宙起始於138億年前的一次大爆炸，自那時到現在，宇宙一直處於膨脹的狀態。在地球上的觀測者看來，除了本地星系之外，幾乎所有的其他星系或者星系團都在遠離地球而去，這就導致觀測時看到天體所産生的輻射的波長會整體朝着電磁波譜的紅端移動。這種因為時空膨脹而導致的紅移現象，在天文學中被稱為宇宙學紅移。當波長增大1倍時，我們就説它的紅移為1。《自然》刊載文章所述恒星的紅移為6.2，説明與靜止波長相比，它的波長增大了6.2倍。

　　此次探測結果很讓人吃驚的一點是，這顆恒星距離地球竟然達到了280億光年之遠，而它的誕生時間是129億年之前，這讓人疑惑：為何距離竟然比誕生時間所對應的光速距離還要遠。光速是物體運動的最快速度，為什麼還會發生這樣的現象？

　　對此，最簡單的回答就是，因為宇宙的時空在膨脹。正是因為宇宙天體在演化的同時，時空同時在膨脹，天體彼此之間相距越來越遠，甚至超過了宇宙歷史時間所對應的距離。人們知道的宇宙年齡為138億年，它所對應的可視宇宙的距離最大為463億光年。

“引力透鏡”效應

　　之所以能夠探測到如此遙遠的恒星，要歸功於宇宙中存在一種被稱為“引力透鏡”的效應。“引力透鏡”效應在此次探測中起到了決定性的作用。

　　愛因斯坦1915年提出了廣義相對論，這個理論認為，引力並非由質量直接引起，而是有質量的物體導致物體周圍的時空發生彎曲所表現出來的效應。後面光源所發出的光線經過前景天體周圍時，因為時空彎曲，光線會沿着彎曲的路徑傳播，從而導致光線發生匯聚效應，最終，觀測者看到的後面的光源因為前景天體的匯聚效應而變得更亮。所以星系團充當了一個透鏡，可以放大背景物體。這非常類似於日常生活中使用凸透鏡來聚集太陽光所發生的效應，所以這種效應就被稱為“引力透鏡”效應。“引力透鏡”效應，其實也就是時空彎曲的結果。

　　在觀測者看來，背景天體會形成一個被稱為“愛因斯坦環”的像，或者一個或多個巨大的圓弧——取決於透鏡天體和觀測者組成的連線是否和背景天體對齊，以及前景天體中物質的分佈狀態。透鏡星系團的典型放大倍數是幾倍，但也可能高達數十或數百倍。如果星系中的某顆恒星偶然與透鏡星系團完美對齊，那麼這顆恒星可以獲得更高的放大倍數。最近，幾顆紅移在1到1.5之間的恒星被發現，它們的亮度被放大了數千倍。而科學家們最新發現的這個位於紅移6.2的恒星，是被一個紅移為0.566的星系團WHL0137-08因“引力透鏡”效應放大了亮度。根據模擬結果發現，這顆恒星的亮度被放大了1000到4萬倍。

“晨星”如何被找到

　　那麼，這顆129億年前的恒星是如何被找到的呢？這要從哈勃太空望遠鏡的遺跡珍寶項目（RELICS Treasury programme）説起。

　　哈勃太空望遠鏡遺跡珍寶項目的目的，是想對普朗克衛星所探測的質量最大的一批星系團在紅外波段進行觀測，希望發現一些高紅移天體的“引力透鏡”效應，從而借助這些高紅移天體來研究並加深對於早期宇宙的理解。

　　哈勃太空望遠鏡遺跡珍寶項目最先利用哈勃太空望遠鏡的一個軌道時間（大約90分鐘）在光學波段對41透鏡星系團進行短時間曝光觀測，之後又利用哈勃太空望遠鏡第三代廣域照相機（WFC3）在紅外的4個波段利用兩個軌道時間對這些星系團進行了觀測。對於大多數星系團，這些觀測被分成了兩次，差不多相隔40天。而對於此次發現的星系團WHL0137-08，分別是在2016年6月7日和2016年7月17日進行了觀測。WHL0137-08最早是在斯隆數字巡天項目（SDSS）中被發現並且確認了紅移，之後在普朗克衛星的巡天中它也被探測到，並且被列為排名第31的最重星系團。

　　早些時候，通過一項在遺跡珍寶項目數據中搜索高紅移星系的工作，科學家們已經在這個星系團的圖像中發現了位於紅移大約在6.2處、長度為15角秒的弧線，後來稱之為“日出弧”。這個弧線長度和之前發現的最亮引力透鏡像的弧差不多。不過之前發現的背景源位於紅移2.4處，要比這次的近一些。正是這一發現，促使科學家在之後的2019年11月4日和2019年11月27日又分別用哈勃太空望遠鏡進行了兩次觀測，兩次觀測時間相隔23天。最後一張照片是在第一張照片3.5年後獲得的。這些數據被疊加在一起，産生了深度圖像，並且還産生了單次觀測的圖像，從而使研究恒星的光度變化成為可能。

　　就是在這個弧上，科學家們發現了一顆亮度被放大的天體，這顆天體被命名為WHL0137-LS。如何判斷它是一個恒星而不是一個星團呢？

　　首先，科學家們發現這的確是一個圓點。如果它原來尺寸比較大並且大小不規則的話，很容易産生被拉伸的變形，所以它只能是一個很小的天體。

　　接下來，通過對不同的“引力透鏡”模型的分析發現，這個背景天體源的大小應該最小為0.09 秒差距（parsec，1秒差距=3.26光年），最大可以到0.36 秒差距。這個天體源的半徑比目前所知道的星團半徑都要小。目前所觀測到的最小星團，半徑大約在0.7 秒差距，是此次觀測到的天體源的限制半徑最大值的兩倍，而比最小值要大將近一個數量級。科學家們考慮本地星團的大小和高紅移星團的大小會有所差別，但很遺憾的是，無論是觀測還是數值模擬，都沒有相關的直接數據。該文作者由此推斷，發生透鏡效應的天體源，應該是一個或者多個恒星構成的系統。

　　另外，相隔幾年的觀測數據表明，對應天體的亮度一直沒有變化，所以排除了對應天體為超新星或者緻密天體吸積的可能性。

　　假設對應天體是一個單質量天體，對應天體的質量最有可能在40到500倍的太陽質量之間。科學家們給這顆恒星起了一個別名，叫Earendel，該詞來自古英語，意為“晨星”，寓意就是宇宙中最早出現的恒星中最亮的那一顆。

發現“晨星”的意義

　　宇宙大爆炸之初，宇宙中僅存在氫和氦，以及極少量的金屬鋰。構成生命的其他更重的元素，都是在之後的恒星演化過程中産生的。所以，科學家想象，早期宇宙的環境和現在的環境有着極大的差別，誕生於相應環境之中的恒星也肯定有着很大的差別。此次探測到的“晨星”，就為科學家研究早期宇宙提供了一個非常難得的窗口和機會。

　　不過因為目前的結果，包括恒星的光譜類型、溫度以及質量，還存在很大的不確定性，科學家們已經申請到了韋布空間望遠鏡的觀測時間，希望借助這&最為先進的望遠鏡，進一步確定“晨星”的一些基本性質，從而在未來對早期宇宙的環境有一個更好的理解。

　　此次發現極高紅移的恒星是偶然的，不過偶然之中也暗含着必然，它也是人類不斷努力探索宇宙的結果。韋布空間望遠鏡於去年底發射升空並且運行順利，更大口徑的地基望遠鏡正在建造中，引力波探測設備也在不斷升級……它們猶如多束探照燈，將穿透早期宇宙的迷霧和黑暗。人類一睹宇宙早期模樣的日子或已不遠。

　　（茍利軍係中國科學院國家天文&&究員、中國科學院大學教授；鄧舒夏係《中國國家天文》雜誌特邀編輯）

來源：2022年4月20日出版的《環球》雜誌 第8期

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