距地球最远的星系 337亿光年!发现已知最远星系,为何它的光只用135亿年就到地球?

相对论表明,光速是宇宙最快的速度,而且是恒定的速度,光在一年的时间内所走过的距离为1光年。在过去135亿年里,最远也只能走135亿光年才对,但为什么这个星系目前的距离却在337亿光年之外?速度竟是光速的2.5倍,难道相对论出错了吗?

此前,已知最远的星系是目前位于324亿光年的GN-z11,它的红移值z可达11,这个星系发出的光耗时134亿年才被我们接收到。而这一次发现的HD1星系,它的红移值高达13,这意味着它的光行距离达到了135亿光年,也就是说这个星系发出的光用了135亿年的时间才到达地球。

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这个星系并非由哈勃发现的,而是通过昴星团望远镜、VISTA望远镜、英国红外望远镜和斯皮策太空望远镜累计50天的观测数据发现的。这些观测数据中包含70万个天体,HD1就是在其中找到的。

该星系的发现者、研究的第一作者、东京大学天文学家Harikane Yuichi表示:“HD1的红色与135亿光年(光行距离)之外的一个星系特征惊人地吻合,这让我发现它时起了鸡皮疙瘩。”

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HD1不但是已知最远的星系,也是最古老、最原始的星系,因为光速是有限的,只要看得距离越远,回溯的时间也就越早。我们现在看到的是HD1星系在135亿年前的样子,那时距离138亿年前的宇宙大爆炸才过去了3亿年。

HD1几乎是目前在运行的天文望远镜所能观测到的最远极限,它能被观测到的主要原因是本身足够明亮,尤其是在紫外波段。至于这个星系为何如此明亮,天文学家提出了两种解释。

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一种解释这可能是一个类星体,也就是该星系中心存在一个超大质量黑洞,它吞噬了周围大量的物质,向外爆发出超强的电磁辐射。据估计,这个黑洞的质量高达太阳的1亿倍(银河系中心的为),在仅诞生3亿年的早期宇宙中,很难想象会形成如此之大的黑洞。

另一种解释是HD1可能是一个星爆星系。由于在早期宇宙中,这个星系刚形成不久,其中存在大量的气体云,它们大量坍缩形成了新的恒星。对于这个星系来说,每年需要诞生100颗与太阳质量相当的新恒星,比预期高出10倍。

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HD1存在于早期的宇宙中,这是人类研究宇宙最早一批星系的重要对象。等到詹姆斯·韦伯(JWST)太空望远镜完全调试好了之后,它就能以更高地精度观测HD1,甚至还能发现比HD1更加遥远、更加古老的星系。

最后,还有个问题,HD1星系真的在超光速运动吗?

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在135亿年前,HD1星系与原始银河系相距大约24亿光年。按照距离来看,HD1星系发出的光只需24亿年就能传到银河系中。然而,宇宙不是静态的,整个空间都在快速膨胀。

由于空间膨胀,两个星系之间被不断互相拉开,距离变得越来越远,HD1星系发出的光用24亿年的时间根本到达不了银河系。由于距离变得越来越远,HD1星系发出的光其实总共走了135亿光年的距离,也就是耗时135亿年的时间,才终于追上银河系。

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在过去135亿年里,HD1星系随着空间膨胀还在进一步远去,它与银河系的距离从当年的24亿光年,到现在已经拉开到337亿光年。这种超光速现象其实是由两个星系之间的空间结构不断扩张造成的,星系本身在空间中的运动速度并没有超光速,所以相对论没有出错。

我们平时所说的可观测宇宙半径为465亿光年,这其实是138亿年前宇宙发出的第一缕光(能够来到地球上)最初所在位置(最后散射面)目前与我们相距465亿光年。实际的宇宙范围要比465亿光年大得多,宇宙还有很大一部分的光还没来得及到达地球,所以我们目前看不到。

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未来,来自不可观测宇宙的光将会逐渐到达地球,可观测宇宙的范围还会进一步变大。但由于空间正在超光速膨胀,可观测宇宙的范围不会无限变大,我们在未来最远只能观测到大约610亿光年。也就是说,我们很可能永远也无法看到整个宇宙的面貌。

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参考文献

[1] Yuichi Harikane, Akio K. Inoue, Ken Mawatari, et al. A Search for H-Dropout Lyman Break Galaxies at z~12-16, The Astrophysical Journal, 2022, arXiv: 2112.09141.

[2] Fabio Pacucci, Pratika Dayal, Yuichi Harikane, et al. Are the Newly-Discovered z∼13 Drop-out Sources Starburst Galaxies or Quasars?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022, arXiv: 2201.00823

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