哈勃究竟能看多远？宇宙洪荒尽收眼底

哈勃发现的最遥远星系正在接近它的能力极限，这台史上最强大的望远镜可能永远也看不到宇宙中最遥远的星系。图片来源：NASA /哈勃小组“那些基于相同价值观的友谊，是距离和时间无法损害的

哈勃发现的最遥远星系正在接近它的能力极限，这台史上最强大的望远镜可能永远也看不到宇宙中最遥远的星系。

图片来源：NASA /哈勃小组

“那些基于相同价值观的友谊，是距离和时间无法损害的。”――罗伯特・索西

图片来源：NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee以及P. Oesch（圣克鲁兹加州大学）、R. Bouwens（莱顿大学）以及HUDF09小组

整个天空可能布满了数千亿个星系。但实际上，这些星系中的一部分由于太黯淡太遥远，哈勃只能勉强看到它们。

限制望远镜能力的原因有两个，一个比较明显，一个比较微妙。

明显的原因是：虽然哈勃的主反射镜直径达到了2.4米，但它收集光子的能力仍然会受限制。因此即使长时间曝光23天，也只能看到最遥远距离上那些非常明亮的星系。

微妙的原因是：我们看得越远，天体光的红移就会越明显。而这一点非常有意思。

图片来源：NASA、ESA、R. Bouwens以及G. Illingworth（加州大学）

大部分最年轻、最炽热、最明亮恒星发出的光线，人眼是看不到的，因为它们实际上是紫外线。

但宇宙在膨胀，星系在远离。这意味着来自遥远恒星和星系的光子，在到达地球的过程中会发生红移，它们的波长会被拉伸。

当我们看到一个明亮、遥远的红色星系时，可以通过比较它在蓝、绿、红和（近）红外光上的相对亮度，来估算它的红移程度，但这也只能估算。如果想知道它真正的红移值，并通过哈勃定律来获知它的距离，就需要测量一些更为确定的东西。

幸好宇宙各处原子的物理特性、原子跃迁的特点是一样的。假如我们能够测量来自天体的发射线光谱（取决于星系的类型，也可以是吸收线光谱），确定元素的成份，就能够以一种非常直接的方式进行计算：

・它的红移，

・它的距离，

・它发光时宇宙的年龄。

在原子跃迁过程中，最强、最易见的恒星或星系发射线来自氢，它在紫外（莱曼系）、可见光（巴尔莫系）或红外（帕邢系）波段上都能够进行跃迁。

但是这些谱线――以及它们的波长――是在这些星系的静止坐标中进行计算的。随着宇宙的膨胀，这些波长会产生极大的红移。最强烈也最容易辨识的跃迁，也就是通常发生在121.567纳米波段上的莱曼-阿尔法跃迁，也会产生不可思议的偏移。在一个例子中，红移后的莱曼-阿尔法谱线波长接近了540纳米。

哈勃上最新、最强大的相机――3号广域相机使用的滤镜可以观测到1700纳米的波长。因此理论上我们可以看到红移值达12或13，即相当于宇宙年龄只有当前3%时的天体。但不幸的是，我们在进行深空观测时并没有使用这些红外滤镜。为了捕捉到更多的光，我们使用了广域波段滤镜。在这个波段上，我们可以达到的最长波长约为850（上限为900）纳米。

因此事实上如果我们想看得更远，即便达不到与哈勃相同的分辨率，或者像哈勃那样能够看到更暗的星系，也会经常使用专业的红外太空望远镜，比如斯皮策望远镜来进行观测。

图片来源：NASA、JPL-Caltech、STScI-ESA、Y. Ono（东京大学）以及B. Weiner（亚里桑那大学）

我们随后也需要用地基8至10米级望远镜来确认这些候选者的光谱。长久以来UDFj-39546284这个星系是红移记录的保持者，它的红移值达到了惊人的11.9！但是你可能已经猜到，这样的星系是哈勃根本看不到的。而且随后的观测也显示，之前的结果受了低红移天体欺骗性发射线的干扰。

不过现在，我们已经有了一个经确认的新记录保持者！

图片来源：NASA、ESA、P. Oesch（耶鲁大学）、CANDELS小组这个编号为EGS-zs8C1的星系红移值是7.7，是此类星系中经确认红移值最高的一个。

这个数字代表的意思，是光线从这个星系出发时，宇宙的年龄只有6.6亿岁。这个星系距离我们大约290亿光年，是目前发现的最遥远星系。

要观测这样的星系已接近哈勃能力的极限。哈勃最多只能探测到红移值不超过8或9的天体，而宇宙中可能存在着红移值达15甚至20的星系！

虽然哈勃要观测大于1微米的波长已经相当吃力，但是詹姆斯・韦伯太空望远镜的观测能力达到了30微米左右，它拥有前所未有的灵敏性和更高的分辨率，收集光的能力也是哈勃的六倍左右！

现在只需一点点运气，我们就能发现宇宙中最遥远的星系。虽然哈勃很伟大，但是它也有局限。在超长波段射电天文学出现之前，詹姆斯・韦伯太空望远镜将是我们发现最遥远星系的希望。

图片来源：NASA、JWST小组

我已经迫不急待。人类终将揭开遮盖在可见宇宙未知领域上的最后面纱，而这只是时间问题。