詹姆斯·韦伯太空望远镜能看到宇宙地平线上的星系吗？

詹姆斯·韦伯太空望远镜在短短两年的运行中就彻底改变了天文学，但它如何在只有138亿年历史的宇宙中看到338亿光年外的星系呢？

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自 2022 年开始向地球发送数据以来，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 对天文学产生了巨大影响，其最具革命性的成就之一是对一些有史以来最遥远的星系的观测。 然而，由于光不会立即传播，而是在真空中以每秒约 3 亿米（9.85 亿英尺）的速度移动，我们看到的这些星系并不是今天的样子，而是数十亿年前的样子。 

此外，我们的宇宙估计已有 138 亿年的历史。因此，我们应该假设我们能看到的最遥远的星系距离我们不超过 138 亿光年。 （一光年是光一年传播的距离）。那一点应该是某种“宇宙视界”——任何望远镜都不能看到它之外的东西。 而且，由于没有任何东西能比 c 更快地穿越太空，这意味着星系的距离不可能超过 138 亿光年，而且距离不断变得更远可能会影响地球。正确的？ 

错误的。宇宙要是这么简单就好了。

亚利桑那大学天文学家、JWST 高级深河外巡天 (JADES) 团队成员杰克·赫尔顿 (Jake Helton) 告诉 Space.com：“宇宙视界是人们可能检索信息的最大距离。”

“有几种不同的宇宙学视界，”赫尔顿继续说道，“它们有不同的定义，并取决于不同的宇宙学数量。这里最相关的是宇宙学视界，它是光在宇宙时代到达我们的最大距离。这定义了可观测宇宙的边缘。”

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2024 年 3 月，JADES 科学家透露，这台强大的望远镜发现了 JADES-GS-z14-0，这是人类所见过的最遥远、最早期的星系。然而矛盾的是，JADES-GS-z14-0 距离我们约 338 亿光年。 

我们怎么能看到来自一个距离如此遥远的物体的光，宇宙的年龄还不足以让它到达我们这里呢？ JADES-GS-z14-0的位置距我们338亿光年，这难道不意味着我们看到的它是338亿年前的样子，这肯定会挑战宇宙年龄的估计吗？

并非如此。这再次证明宇宙有一种方式可以颠覆他们的理智和逻辑结论。 

“像 JADES-GS-z14-0 这样的遥远星系如何才能被观测到，因为它距离我们超过 138 亿光年，而且它的光似乎需要比宇宙年龄更长的时间才能到达我们？”赫尔顿反问道。 “答案是宇宙的膨胀。”

看到一个比时间本身更古老的星系

如果宇宙静止不动，那么来自 338 亿光年外星系的光需要 338 亿年才能到达我们，仅此而已。但是，在 1900 年代初，埃德温·哈勃发现遥远的星系似乎正在彼此远离，而且距离越远，移动的速度就越快。换句话说，宇宙不是静止的；而是静止的。它正在扩大。

1998 年，随着 20 世纪接近尾声，两个不同的天文学家团队观察到，宇宙不仅在膨胀，而且膨胀还在加速，情况变得更加复杂。 负责的力量是一个谜，但它被赋予了“暗能量”的占位名称。

在宇宙 138 亿年的历史中，有两个主要且不同的膨胀时期。第一个阶段是宇宙快速膨胀的初始阶段，现在通常称为“大爆炸”。 

在这个暴胀时代，宇宙的体积增加了 10^26 倍（10 后面跟着 25 个零）。这相当于你的指甲从每秒 1 纳米的速度突然增长到 10.6 光年（62 万亿英里）长。此时的宇宙是由能量主导的，这一时期被称为能量主导时代。

接下来是大爆炸 47,000 年后开始的物质主导时代。最终，宇宙膨胀使宇宙冷却到足以使夸克和胶子形成质子，然后质子与电子结合形成第一个氢原子，从而形成了第一个恒星和星系。在此期间，大爆炸驱动的宇宙膨胀减慢至接近停止。

当宇宙的年龄还不到 100 亿年时，物质主导的时代就意外地结束了。就在这个时候，宇宙突然再次开始快速膨胀。此外，这种扩张速度越来越快，甚至在今天还在继续加速。宇宙的第三个重要时期被称为暗能量主导时代。这是我们现在所处的时代。

由于宇宙的这些膨胀时期，来自 JADES-GS-z14-0 的光实际上只传播到 JWST 和地球 135 亿年，尽管其来源现在远比 135 亿光年远得多。这意味着 JWST 看到的 JADES-GS-z14-0 是大爆炸 3 亿年后的样子。如果没有宇宙膨胀，JADES-GS-z14-0 仍将距离我们约 135 亿光年，尽管它仍然会经历较小的局部运动，这可能使其靠近或远离附近的星系。但这种银河运动远非宇宙膨胀引起的那种运动。

根据赫尔顿的说法，宇宙视界或“光子地平线”是一个边界约为 461 亿光年的球体，这个数字是由宇宙膨胀决定的。这是实际的地平线，超过它我们就无法“看到”星系。星系 JADES-GS-z14-0 确实位于该视界内。

为了避免混淆，天文学家实际上使用两种距离测量尺度：消除宇宙膨胀这一因素的共同移动距离和包含宇宙膨胀的适当距离。这意味着JADES-GS-z14-0的联动距离为135亿光年，而其固有距离为338亿光年。

不过，JADES-GS-z14-0 和其他遥远而古老的星系并不总是可见。

拥有詹姆斯·韦伯太空望远镜的幸运时代

事实上，JWST 可以看到 JADES-GS-z14-0，这意味着它曾经与地球和我们当地的宇宙有“因果关系”。换句话说，来自 JADES-GS-z14-0 的信号有可能到达银河系中的我们，因此这个星系中存在于时间黎明时的“原因”可能会对我们的银河系产生“影响”在这个宇宙的现代时代。

赫尔顿说：“任何可观测到的星系都必须位于粒子视界内，并且必须在宇宙历史的某个时刻与我们存在因果关系。”

然而，情况已不再如此。像 JADES-GS-z14-0 这样的星系和其他 JADES 发现的星系现在距离我们如此遥远，并且由于暗能量而迅速远离我们，以至于它们今天发送的任何信号都无法到达我们。这是因为光子地平线以光速远离我们，但对于真正遥远的物体，银河系和这些星系之间的空间膨胀速度比光速更快。这似乎难以置信，因为阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论将光速设定为普遍的速度限制。然而，这是有质量的物体在空间中移动的规则，而不是空间本身结构的规则。

在地球和人类消失殆尽后的大约 2 万亿年里，宇宙的膨胀意味着，无论银河系中有什么智慧物种取代了我们（如果有的话），都将无法看到我们本地群体之外存在的任何星系——直径约为1000万光年。 

这是一个发人深省的想法，它意味着人类生活在宇宙历史上的一个独特时刻，在这个时刻，最遥远的星系仍然在我们的视野之内。我们比任何可能跟随我们的智慧生命更了解宇宙及其起源。包括赫尔顿在内的天文学家打算利用 JWST 来充分利用这一宇宙特权。

“与 JWST 和 JADES Collaboration 的合作令人难以置信，”Helton 说。 “与 JWST 一起撰写有关科学的论文，就像我最近在 JADES-GS-z14-0 上发表的论文一样，是我研究生涯中最有价值、最令人兴奋的经历。”

最初发布于Space.com。