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“你們(men) 的望遠鏡能看多遠？”

在天文台工作，這是一個(ge) 經常被問到的問題，可每每給出的答複都不能令提問者滿意……

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人類的空間和時間觀念的起源一定與(yu) 我們(men) 頭頂的星空相伴相生，而後延伸到宇宙——四方上下，古往今來。星空所呈現出的持續性、周期性和指引性吸引人類長久的凝視和沉思。

01

目之所及

在晴朗、無月、零光害的夜空，肉眼最暗能看到6等星（視星等），能看到最遠的行星、恒星、星係分別是：天王星、海山二和仙女星係/三角星係。

〇 天王星

這顆淺藍綠色的行星距離地球平均25億(yi) 公裏，光行時間2小時40分鍾，視星等6等左右，衝(chong) 日（每1年零4-5天發生一次）時最亮可達5.5等。

〇 海山二（η Carinae船底座）

是一顆南天恒星，也是迄今人類發現隨時有可能超新星爆發的恒星之一，距離地球7500光年，當前視星等為(wei) 4.3等。

〇 華蓋三（V762 Cas 仙後座）

曾被認為(wei) 是肉眼可見的最遠的恒星（估計距離約1.4萬(wan) 光年），然而根據最新的Gaia EDR3結果，其距離僅(jin) 約2500光年。

另外，還有一些距離地球1萬(wan) 光年左右的恒星，視星等在肉眼可見邊緣，具體(ti) 談論哪一顆最遠意義(yi) 不大，它們(men) 大多是變星，亮度非常不穩定，視星等的數據也可能不夠準確。

〇 仙女星係M31/三角星係M33

距離地球分別為(wei) 254萬(wan) 光年和300萬(wan) 光年，視星等分別為(wei) 3.44和5.72，空中相距約15度，都在奔赴銀河係的路上。

當然還有超新星、伽馬暴等瞬變天體(ti) 現象，可以短時間內(nei) 把人類目之所及延伸到幾十億(yi) 光年。

02

“時光機”與(yu) “地平線”

用時間表示距離，自古有之。天文學上用“光年”表示距離也有近200年的曆史了。愛因斯坦相對論基於(yu) 光速不變的實驗事實，把時間和空間緊密聯係在一起。人類仰望星空實際上是在回溯時空。距離越遠，時間越早，越古老。

望遠鏡的發明延伸了人類的視野，像一台神奇的“時光機”，讓我們(men) 有機會(hui) 望向宇宙深處的“地平線”，看穿宇宙的過往，這恐怕也是天文學富有吸引力的原因之一。正如在埃德溫·哈勃的眼中：天文學的曆史是不斷退後的“地平線”的曆史。

The history of astronomy is a history of receding horizons.

——Edwin Powell Hubble(1936)

“The Realm of the Nebulae”

03

那些最遙遠的

回到開篇的那個(ge) 問題“能看多遠”，其實並沒有確切的答案。一台望遠鏡造好後，天文學家能明確告訴你的是能看到“多麽(me) 暗弱”的天體(ti) ，而不是多遠。

以哈勃望遠鏡為(wei) 例，你如果問它能看多遠？隨著天文學家們(men) 競相找到登頂榜首的新天體(ti) ，答案也在不斷變化。哈勃就一直在不停地打破自己創造的記錄，用不斷更新的發現延伸人類回溯宇宙的邊際。

哈勃望遠鏡（HST）對早期宇宙研究的革命性貢獻。| 圖源：NASA/ESA

在哈勃望遠鏡發射之前，地基光學望遠鏡隻能觀測到紅移不超過1的天體(ti) ，約相當於(yu) 大爆炸至今宇宙年齡的一半，而哈勃最新的記錄已經到紅移11.1，即約3%的宇宙年齡。它的繼任者韋布望遠鏡（JWST）將能探測到更早期、更遙遠的宇宙。

下麵我們(men) 一起乘著“時光機”細數迄今已確認探測到的最遙遠。

迄今確認觀測到最遙遠的天體(ti) | 圖源：見標注

2021年10月，錢德拉X射線望遠鏡在2800萬(wan) 光年外的旋渦星係M51中發現的第一顆河外行星候選者M51-ULS-1b還有待進一步證實。

2022年4月初，一個(ge) 國際研究團隊發現新的最遙遠星係候選者HD1，紅移高達13.27，比GN z11又年輕一億(yi) 歲、遠了約12億(yi) 光年。不過我們(men) 對此還需謹慎樂(le) 觀，因為(wei) 他們(men) 用於(yu) 確認紅移值的唯一譜線隻是一個(ge) 4σ的初步（tentative）結果，還不能說是“經譜線證認的”。

宇宙演化示意圖，圓圈標出的是確認和候選的最遙遠星係GN z11和HD1 | 圖源: Harikane et al., NASA, EST and P. Oesch/Yale

04

膨脹的是空間，紅移的是光

天文學家通過測量遙遠天體(ti) 發出光子的波長因空間膨脹而被拉伸的程度，即所謂紅移z，來探測宇宙的深度，研究其曆史。紅移值越大，表示在時間和空間上的距離就越遠。宇宙微波背景輻射（CMB）對應的紅移約為(wei) 1100，當時的宇宙已演化了38萬(wan) 年。紅移的精確測定是通過一係列光譜認證實現的，即給天體(ti) 的電磁輻射做分光，就像用棱鏡製造彩虹那樣，並識別已知原子、離子或分子在特定波長譜線的偏移量，從(cong) 而精確測定紅移。

膨脹宇宙中光線紅移和空間距離變化示意圖 | 圖源：Rob Knop

但是更遙遠的星係的光太過微弱，直接光譜測量有時不可行。天文學家們(men) 轉而想出一些巧妙的粗略光譜學技術給出紅移估值。

其中一種叫“萊曼斷裂方法”，即通過覆蓋從(cong) 光學到近紅外波段的多種不同濾光片，獲得較寬的光譜形狀，並在其中尋找一個(ge) 特征銳利“台階”——“萊曼斷裂”，這是由宇宙最初約10億(yi) 年裏恒星和星係發出的波長小於(yu) 91.2納米的強紫外光被彌漫的中性氫氣體(ti) 完全吸收所產(chan) 生的，“斷裂”出現在光譜上的位置取決(jue) 於(yu) 星係的距離，從(cong) 而給出星係紅移的估值。

這種方法可以批量篩選出早期宇宙中的星係，但其身份確認還需要借助更精細的光譜測量確定紅移值，在此之前都隻能叫候選者。

埃德溫· 哈勃1936年在他的《星雲(yun) 世界》一書(shu) 中這樣描述對早期宇宙的探測經曆：“隨著距離的增加，我們(men) 關(guan) 於(yu) 宇宙的星空体育官网入口网站迅速枯竭。最終，到達暗淡的邊際——望遠鏡的探測極限。在那裏，我們(men) 測量陰影，並在幽靈般的測量誤差中尋找幾乎沒有更多實質性的地標。”如今讀來仍然意味深長。

With increasing distance, our knowledge fades, and fades rapidly. Eventually, we reach the dim boundary——the utmost limits of our telescopes. There, we measure shadows, and we search among ghostly errors of measurement for landmarks that are scarcely more substantial.

——Edwin Powell Hubble (1936)

“The Realm of the Nebulae”

如果把現在的宇宙比作一個(ge) 百歲老人，我們(men) 已經通過“時光機”看到了他3歲時的片段，這幾乎是“哈勃”的極限操作。而新的“時光機”韋布（JWST）已經在太空準備就緒，即將吹響探測更早期宇宙的號角，不斷打破新的記錄，發現成千上萬(wan) 個(ge) 宇宙第一代發光天體(ti) （恒星、星係等），回溯繈褓中的宇宙。

05

那些遙不可及

“沒有最遠，隻有更遠……”可以當作人類探索宇宙的口號，但事實上，還是有最遠的。宇宙的存在時間（約138億(yi) 年）和光速都是有限的，所以“可觀測宇宙”也是有限的，半徑約為(wei) 465億(yi) 光年。這個(ge) 半徑之所以遠大於(yu) 138億(yi) 光年，是因為(wei) 宇宙空間在不斷膨脹。

最後，我們(men) 再次回到開篇的那個(ge) 問題。其實，即便是在太陽係，要回答“能看多遠”也沒那麽(me) 簡單，天文學家在不斷把宇宙地平線推向時間原點的同時，也從(cong) 未停止探測太陽係邊際的腳步。下一個(ge) 難道要叫“Farfarfarout”嗎？雖然毫無創意，但一點兒(er) 也不影響我們(men) 期待。

小行星Farfarout和部分太陽係天體(ti) 距離的比較（AU約為(wei) 1.5億(yi) 公裏） | 圖源：R. Candanosa, S. Sheppard and B. Bays

在期待韋布大顯身手的同時，也別忘了那個(ge) 載著人類的信息孤勇前行的“旅行者一號”——迄今飛得最遠的人類飛行器，哪怕明知還要至少一萬(wan) 年，也要努力衝(chong) 出太陽係，替人類去見證太陽係邊際外的景象。

旅行者1號：目前距離地球232.7億(yi) 公裏 | 圖源：NASA

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