韋伯望遠(yuǎn)鏡找到紅移值16.7的星系，到底說(shuō)明了什么？

韋伯望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱韋伯）七月中旬才開(kāi)始正式開(kāi)工，至今就已經(jīng)取得了幾個(gè)突破性的成就，說(shuō)明這個(gè)耗資100多億美元的項(xiàng)目沒(méi)有白花錢。剛發(fā)射不久，就傳來(lái)受到6次微隕石撞擊的消息，曾讓許多人擔(dān)心韋伯會(huì)毀于一旦，現(xiàn)在這些人也可以放心了。

現(xiàn)在韋伯的發(fā)現(xiàn)幾乎每天都在更新，如探測(cè)到了1000多光年系外行星的大氣光譜，發(fā)現(xiàn)了距離我們135億光年的星系，說(shuō)明韋伯一出手，就超出了即將退役的前輩~哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的能力。

而最近媒體熱炒的一個(gè)紅移值z(mì)=16.5的星系，更是實(shí)錘了韋伯不負(fù)眾望，將人類眼界向深空推進(jìn)了一大步。

那么，什么是光譜紅移值？

所謂光譜紅移值是光的多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象，是波的一種特殊效應(yīng)，不管是什么波，如聲波、引力波、光波，都有多普勒效應(yīng)。這種效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)并提出來(lái)的，人們?yōu)榱思o(jì)念他，就把這種效應(yīng)稱為“多普勒效應(yīng)”。

多普勒最早發(fā)現(xiàn)的是聲波效應(yīng)。一列火車經(jīng)過(guò)身邊時(shí)，他發(fā)現(xiàn)從遠(yuǎn)處向他駛來(lái)的火車?guó)Q笛聲音就更高亢，而經(jīng)過(guò)身邊后遠(yuǎn)離時(shí)聲音就低沉。他通過(guò)對(duì)這種物理現(xiàn)象的研究，得到了多普勒效應(yīng)理論，即當(dāng)波源向觀測(cè)者移動(dòng)時(shí)，波長(zhǎng)會(huì)變短，頻率會(huì)增高；反之離開(kāi)時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低。速度越快，這種效應(yīng)就越明顯。

后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，不光是聲波等機(jī)械波，所有波，包括光波和引力波都有多普勒效應(yīng)，而光波的多普勒效應(yīng)就是紅移和藍(lán)移。

這是基于可見(jiàn)光并非單色，是由多種顏色組成的復(fù)合光，大致分為紅橙黃綠青藍(lán)紫七色，每種顏色光的波長(zhǎng)和頻率都不同，紅顏色波長(zhǎng)最長(zhǎng)頻率最低，藍(lán)紫顏色波長(zhǎng)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(wǎng)膜，光的多普勒效應(yīng)就呈現(xiàn)出：向我們移動(dòng)的物體波長(zhǎng)變短頻率變高，光譜就向藍(lán)端移動(dòng)，叫藍(lán)移；反之，離開(kāi)我們的物體光譜就向紅端移動(dòng)，叫紅移。

計(jì)算紅移值的公式為：Z=（λ-λ0）/λ

這里的Z為無(wú)量綱量，Z為正值則指向紅移，負(fù)值則指向藍(lán)移；λ表示觀測(cè)到的光譜波長(zhǎng)，λ0表示光譜固有波長(zhǎng)。從這個(gè)公式我們可以看出，所謂光譜紅移值Z，就是觀測(cè)到光譜的波長(zhǎng)減去某個(gè)光譜固有波長(zhǎng)再除以這個(gè)固有波長(zhǎng)的倍數(shù)。

光譜的固有波段可以在實(shí)驗(yàn)室得到，如氫原子的電子從2、3、4軌道躍遷到基態(tài)（第1軌道）時(shí)，發(fā)出的輻射波長(zhǎng)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(jiàn)質(zhì)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(cè)氫的譜線紅移是觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體的主要方法。如通過(guò)觀測(cè)得到某天體的萊曼α線的波長(zhǎng)為1565.85nm，減去實(shí)驗(yàn)室得到的固有波長(zhǎng)121.57，再除以121.57，就能得到這個(gè)星系的紅移值為11.88。

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

這樣，太遠(yuǎn)的星系采用觀測(cè)可見(jiàn)光波段的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡就無(wú)法看到了，而韋伯望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)項(xiàng)就是觀測(cè)紅外波段，可以看到600nm~28.8μm（微米，1μm=1000nm）這個(gè)范圍。

光譜線紅移與距離的關(guān)系/

上世紀(jì)初美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹現(xiàn)象，就是遠(yuǎn)方所有星系都在遠(yuǎn)離我們，各向同性，離去的速度與距離成正比。就是說(shuō)不管從哪個(gè)方向看，星系都是離開(kāi)我們的，并且距離越遠(yuǎn)越快，成比例關(guān)系。

由此哈勃得到了一個(gè)定律，表述為V=HD。這里的V表示星系離開(kāi)我們的速度；H表示哈勃常數(shù)；D為星系與我們的實(shí)際距離。哈勃常數(shù)H是指距離我們Mpc（百萬(wàn)秒差距單位，約326萬(wàn)光年）的地方，星系每秒離開(kāi)我們的速度。

科學(xué)界采用各種方法測(cè)量了哈勃常數(shù)幾十年，每次測(cè)得的數(shù)據(jù)并不統(tǒng)一，范圍約在55~82.4km/s之間。而現(xiàn)在計(jì)算出宇宙年齡為138.2億歲，是根據(jù)歐空局采用普朗克衛(wèi)星測(cè)得的哈勃常數(shù)為67.8km/s，代入計(jì)算得到的。

哈勃定律蘊(yùn)含著一個(gè)換算關(guān)系，就是知道了星系距離，就知道了離開(kāi)我們的速度；反之，知道了離開(kāi)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(gè)換算關(guān)系，其公式表述為：Z=HD/c。

這里的Z為紅移量，H為哈勃常數(shù)，D為實(shí)際被觀測(cè)星系實(shí)際距離，c為光速。根據(jù)光譜紅移量越大，距離越遠(yuǎn)的規(guī)律，將得到的紅移量代入公式，就能夠得出這個(gè)被觀測(cè)星系與我們的距離了。

韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)紅移值16.7的星系，說(shuō)明了什么？

韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被命名為GLASS-z13的星系，z13代表紅移值為13，這個(gè)值對(duì)應(yīng)的是大爆炸后約3億年發(fā)出的光。根據(jù)宇宙年齡138.2億歲計(jì)算，這個(gè)星系距離我們約135億光年。

這只是GLASS-z13星系剛剛發(fā)出光時(shí)與我們的距離，根據(jù)宇宙膨脹規(guī)律，這個(gè)星系現(xiàn)在已經(jīng)退行到330億光年距離了。研究表明，GLASS-z13的質(zhì)量只相當(dāng)太陽(yáng)質(zhì)量的10億倍，而銀河系的質(zhì)量為太陽(yáng)萬(wàn)億倍以上（包括暗物質(zhì)），這個(gè)星系只有銀河系的0.1%，說(shuō)明是一個(gè)極小的星系。

研究還認(rèn)為這個(gè)星系的年齡只有約7100萬(wàn)歲左右，因此是一個(gè)剛形成不久或者說(shuō)正在形成的嬰兒星系。在韋伯發(fā)現(xiàn)這個(gè)星系之前，宇宙中發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)的星系是GN-z11，這個(gè)紅移量11.1的星系對(duì)應(yīng)我們距離134億光年，是哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)的星系。

也就是說(shuō)，韋伯望遠(yuǎn)鏡一睜開(kāi)眼，就將人類視力延伸了1.5億光年，由此，引起了世界科學(xué)界和媒體的轟動(dòng)。但韋伯的厲害還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，天文學(xué)家們現(xiàn)在只是將GL-z13作為進(jìn)一步調(diào)查的候選者來(lái)研究。

在韋伯傳回的圖片中，天文學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了幾顆紅移量更大的星系。其中有一個(gè)達(dá)到z＞14，還至少有3個(gè)達(dá)到z＞16，其中有一個(gè)z=16.7。這些發(fā)現(xiàn)都以論文方式發(fā)表在著名的arXiv期刊上。

這說(shuō)明了什么呢？說(shuō)明有可能韋伯望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡最重要任務(wù)之一，就是探測(cè)研究宇宙大爆炸發(fā)出的第一縷光，據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型測(cè)算，這束光發(fā)生在大爆炸38萬(wàn)年以后，宇宙從極高溫度和極高密度狀態(tài)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(jiàn)。

這縷光迸射開(kāi)來(lái)一直冷卻了138億年，現(xiàn)在以宇宙微波背景輻射的方式存在于整個(gè)空間，溫度約為2.73K（-270.42℃）。韋伯的任務(wù)時(shí)間為10年，現(xiàn)在睜開(kāi)眼睛才半個(gè)來(lái)月，已經(jīng)看到了136億年前的宇宙樣子，且驚人的發(fā)現(xiàn)不斷傳來(lái)，那么最終能夠看到第一縷光的樣子嗎？我們拭目以待。

今天就說(shuō)這些，歡迎討論點(diǎn)評(píng)。

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