337億光年!發現已知最遠星系,為何它的光只用135億年就到地球?

根據《天體物理學雜志》和《皇家天文學會月報》刊載的兩篇新研究論文,天文學家發現了迄今為止已知最遠的星系,它被稱為HD1,目前距離地球高達337億光年,它發出的光用了135億年才來到地球上。

相對論表明,光速是宇宙最快的速度,而且是恒定的速度,光在一年的時間內所走過的距離為1光年。在過去135億年里,最遠也只能走135億光年才對,但為什麼這個星系目前的距離卻在337億光年之外?速度竟是光速的2.5倍,難道相對論出錯了嗎?

此前,已知最遠的星系是目前位于324億光年的GN-z11,它的紅移值z可達11,這個星系發出的光耗時134億年才被我們接收到。而這一次發現的HD1星系,它的紅移值高達13,這意味著它的光行距離達到了135億光年,也就是說這個星系發出的光用了135億年的時間才到達地球。

這個星系并非由哈勃發現的,而是通過昴星團望遠鏡、VISTA望遠鏡、英國紅外望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡累計50天的觀測數據發現的。這些觀測數據中包含70萬個天體,HD1就是在其中找到的。

該星系的發現者、研究的第一作者、東京大學天文學家Harikane Yuichi表示:「HD1的紅色與135億光年(光行距離)之外的一個星系特征驚人地吻合,這讓我發現它時起了雞皮疙瘩。」

HD1不但是已知最遠的星系,也是最古老、最原始的星系,因為光速是有限的,只要看得距離越遠,回溯的時間也就越早。我們現在看到的是HD1星系在135億年前的樣子,那時距離138億年前的宇宙大爆炸才過去了3億年。

HD1幾乎是目前在運行的天文望遠鏡所能觀測到的最遠極限,它能被觀測到的主要原因是本身足夠明亮,尤其是在紫外波段。至于這個星系為何如此明亮,天文學家提出了兩種解釋。

一種解釋這可能是一個類星體,也就是該星系中心存在一個超大質量黑洞,它吞噬了周圍大量的物質,向外爆發出超強的電磁輻射。據估計,這個黑洞的質量高達太陽的1億倍(銀河系中心的為),在僅誕生3億年的早期宇宙中,很難想象會形成如此之大的黑洞。

另一種解釋是HD1可能是一個星爆星系。由于在早期宇宙中,這個星系剛形成不久,其中存在大量的氣體云,它們大量坍縮形成了新的恒星。對于這個星系來說,每年需要誕生100顆與太陽質量相當的新恒星,比預期高出10倍。

HD1存在于早期的宇宙中,這是人類研究宇宙最早一批星系的重要對象。等到詹姆斯·韋伯(JWST)太空望遠鏡完全調試好了之后,它就能以更高地精度觀測HD1,甚至還能發現比HD1更加遙遠、更加古老的星系。

最后,還有個問題,HD1星系真的在超光速運動嗎?

在135億年前,HD1星系與原始銀河系相距大約24億光年。按照距離來看,HD1星系發出的光只需24億年就能傳到銀河系中。然而,宇宙不是靜態的,整個空間都在快速膨脹。

由于空間膨脹,兩個星系之間被不斷互相拉開,距離變得越來越遠,HD1星系發出的光用24億年的時間根本到達不了銀河系。由于距離變得越來越遠,HD1星系發出的光其實總共走了135億光年的距離,也就是耗時135億年的時間,才終于追上銀河系。

在過去135億年里,HD1星系隨著空間膨脹還在進一步遠去,它與銀河系的距離從當年的24億光年,到現在已經拉開到337億光年。這種超光速現象其實是由兩個星系之間的空間結構不斷擴張造成的,星系本身在空間中的運動速度并沒有超光速,所以相對論沒有出錯。

我們平時所說的可觀測宇宙半徑為465億光年,這其實是138億年前宇宙發出的第一縷光(能夠來到地球上)最初所在位置(最后散射面)目前與我們相距465億光年。實際的宇宙范圍要比465億光年大得多,宇宙還有很大一部分的光還沒來得及到達地球,所以我們目前看不到。

未來,來自不可觀測宇宙的光將會逐漸到達地球,可觀測宇宙的范圍還會進一步變大。但由于空間正在超光速膨脹,可觀測宇宙的范圍不會無限變大,我們在未來最遠只能觀測到大約610億光年。也就是說,我們很可能永遠也無法看到整個宇宙的面貌。

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