實錘了,韋伯望遠鏡找到紅移值16.7的星系,到底說明了什麼?

韋伯望遠鏡(簡稱韋伯)七月中旬才開始正式開工,至今就已經取得了幾個突破性的成就,說明這個耗資100多億美元的項目沒有白花錢。剛發射不久,就傳來受到6次微隕石撞擊的消息,曾讓許多人擔心韋伯會毀于一旦,現在這些人也可以放心了。

現在韋伯的發現幾乎每天都在更新,如探測到了1000多光年系外行星的大氣光譜,發現了距離我們135億光年的星系,說明韋伯一出手,就超出了即將退役的前輩~哈勃空間望遠鏡的能力。

而最近媒體熱炒的一個紅移值z=16.5的星系,更是實錘了韋伯不負眾望,將人類眼界向深空推進了一大步。

那麼,什麼是光譜紅移值?

所謂光譜紅移值是光的多普勒效應的現象,是波的一種特殊效應,不管是什麼波,如聲波、引力波、光波,都有多普勒效應。這種效應是奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒于1842年發現并提出來的,人們為了紀念他,就把這種效應稱為「多普勒效應」。

多普勒最早發現的是聲波效應。一列火車經過身邊時,他發現從遠處向他駛來的火車鳴笛聲音就更高亢,而經過身邊后遠離時聲音就低沉。他通過對這種物理現象的研究,得到了多普勒效應理論,即當波源向觀測者移動時,波長會變短,頻率會增高;反之離開時,波長變長,頻率變低。速度越快,這種效應就越明顯。

后來人們發現,不光是聲波等機械波,所有波,包括光波和引力波都有多普勒效應,而光波的多普勒效應就是紅移和藍移。

這是基于可見光并非單色,是由多種顏色組成的復合光,大致分為紅橙黃綠青藍紫七色,每種顏色光的波長和頻率都不同,紅顏色波長最長頻率最低,藍紫顏色波長最短頻率最高。

而人眼看到任何物體都是由于光波傳遞到我們的視網膜,光的多普勒效應就呈現出:向我們移動的物體波長變短頻率變高,光譜就向藍端移動,叫藍移;反之,離開我們的物體光譜就向紅端移動,叫紅移。

計算紅移值的公式為:Z=(λ-λ0)/λ

這里的Z為無量綱量,Z為正值則指向紅移,負值則指向藍移;λ表示觀測到的光譜波長,λ0表示光譜固有波長。從這個公式我們可以看出,所謂光譜紅移值Z,就是觀測到光譜的波長減去某個光譜固有波長再除以這個固有波長的倍數。

光譜的固有波段可以在實驗室得到,如氫原子的電子從2、3、4軌道躍遷到基態(第1軌道)時,發出的輻射波長依次為121.57nm(納米,后同)、102.57nm、97.254nm,這就是著名的「萊曼線系」,并依次稱為萊曼α線、萊曼β線、萊曼γ線等等。

氫元素是宇宙中最普遍存在的元素,占宇宙可見質量的75%左右,所有的恒星都是以氫為主的元素組成,因此觀測氫的譜線紅移是觀測遙遠天體的主要方法。如通過觀測得到某天體的萊曼α線的波長為1565.85nm,減去實驗室得到的固有波長121.57,再除以121.57,就能得到這個星系的紅移值為11.88。

121.57nm和1565.88nm波長的光都不是可見光,分別屬于紫外光和紅外光范圍。紫外光的波長范圍在10~400nm之間,紅外光波長范圍在780nm~1mm(毫米,1mm=1000000nm)之間。一個星系發出的光譜線,隨著宇宙膨脹紅移量就會越來越大,由此光譜從不可見的紫外光紅移到可見光,再逐漸移向了不可見的紅外光部分。

這樣,太遠的星系采用觀測可見光波段的光學望遠鏡就無法看到了,而韋伯望遠鏡的長項就是觀測紅外波段,可以看到600nm~28.8μm(微米,1μm=1000nm)這個范圍。

光譜線紅移與距離的關系

上世紀初美國天文學家哈勃發現了宇宙膨脹現象,就是遠方所有星系都在遠離我們,各向同性,離去的速度與距離成正比。就是說不管從哪個方向看,星系都是離開我們的,并且距離越遠越快,成比例關系。

由此哈勃得到了一個定律,表述為V=HD。這里的V表示星系離開我們的速度;H表示哈勃常數;D為星系與我們的實際距離。哈勃常數H是指距離我們Mpc(百萬秒差距單位,約326萬光年)的地方,星系每秒離開我們的速度。

科學界采用各種方法測量了哈勃常數幾十年,每次測得的數據并不統一,范圍約在55~82.4km/s之間。而現在計算出宇宙年齡為138.2億歲,是根據歐空局采用普朗克衛星測得的哈勃常數為67.8km/s,代入計算得到的。

哈勃定律蘊含著一個換算關系,就是知道了星系距離,就知道了離開我們的速度;反之,知道了離開我們的速度,就知道了星系與我們的距離。而紅移量則與哈勃定律有一個換算關系,其公式表述為:Z=HD/c。

這里的Z為紅移量,H為哈勃常數,D為實際被觀測星系實際距離,c為光速。根據光譜紅移量越大,距離越遠的規律,將得到的紅移量代入公式,就能夠得出這個被觀測星系與我們的距離了。

韋伯望遠鏡發現紅移值16.7的星系,說明了什麼?

韋伯望遠鏡發現了一個被命名為GLASS-z13的星系,z13代表紅移值為13,這個值對應的是大爆炸后約3億年發出的光。根據宇宙年齡138.2億歲計算,這個星系距離我們約135億光年。

這只是GLASS-z13星系剛剛發出光時與我們的距離,根據宇宙膨脹規律,這個星系現在已經退行到330億光年距離了。研究表明,GLASS-z13的質量只相當太陽質量的10億倍,而銀河系的質量為太陽萬億倍以上(包括暗物質),這個星系只有銀河系的0.1%,說明是一個極小的星系。

研究還認為這個星系的年齡只有約7100萬歲左右,因此是一個剛形成不久或者說正在形成的嬰兒星系。在韋伯發現這個星系之前,宇宙中發現最遠的星系是GN-z11,這個紅移量11.1的星系對應我們距離134億光年,是哈勃望遠鏡發現的最遠的星系。

也就是說,韋伯望遠鏡一睜開眼,就將人類視力延伸了1.5億光年,由此,引起了世界科學界和媒體的轟動。但韋伯的厲害還遠遠不止如此,天文學家們現在只是將GL-z13作為進一步調查的候選者來研究。

在韋伯傳回的圖片中,天文學家們還發現了幾顆紅移量更大的星系。其中有一個達到z>14,還至少有3個達到z>16,其中有一個z=16.7。這些發現都以論文方式發表在著名的arXiv期刊上。

這說明了什麼呢?說明有可能韋伯望遠鏡拍攝到了距離我們136億光年以上的星系,這些星系只是宇宙大爆炸2億年左右的樣子。

韋伯望遠鏡最重要任務之一,就是探測研究宇宙大爆炸發出的第一縷光,據標準宇宙模型測算,這束光發生在大爆炸38萬年以后,宇宙從極高溫度和極高密度狀態下得到冷卻和稀釋,光子(電磁波)才能得以脫耦而出,從此宇宙才變得透明和可見。

這縷光迸射開來一直冷卻了138億年,現在以宇宙微波背景輻射的方式存在于整個空間,溫度約為2.73K(-270.42℃)。韋伯的任務時間為10年,現在睜開眼睛才半個來月,已經看到了136億年前的宇宙樣子,且驚人的發現不斷傳來,那麼最終能夠看到第一縷光的樣子嗎?我們拭目以待。


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