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韦伯望远镜找到红移值16.7的星系,到底说明了什么?

[ 来源: 时空通讯原创  | 作者: 时空通讯原创  | 发布时间:2022-08-01 | 浏览:450次 ]

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韦伯望远镜(简称韦伯)七月中旬才开始正式开工,至今就已经取得了几个突破性的成就,说明这个耗资100多亿美元的项目没有白花钱。刚发射不久,就传来受到6次微陨石撞击的消息,曾让许多人担心韦伯会毁于一旦,现在这些人也可以放心了。

现在韦伯的发现几乎每天都在更新,如探测到了1000多光年系外行星的大气光谱,发现了距离我们135亿光年的星系,说明韦伯一出手,就超出了即将退役的前辈~哈勃空间望远镜的能力。

而最近媒体热炒的一个红移值z=16.5的星系,更是实锤了韦伯不负众望,将人类眼界向深空推进了一大步。

那么,什么是光谱红移值?

所谓光谱红移值是光的多普勒效应的现象,是波的一种特殊效应,不管是什么波,如声波、引力波、光波,都有多普勒效应。这种效应是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年发现并提出来的,人们为了纪念他,就把这种效应称为“多普勒效应”。

多普勒最早发现的是声波效应。一列火车经过身边时,他发现从远处向他驶来的火车鸣笛声音就更高亢,而经过身边后远离时声音就低沉。他通过对这种物理现象的研究,得到了多普勒效应理论,即当波源向观测者移动时,波长会变短,频率会增高;反之离开时,波长变长,频率变低。速度越快,这种效应就越明显。

后来人们发现,不光是声波等机械波,所有波,包括光波和引力波都有多普勒效应,而光波的多普勒效应就是红移和蓝移。

这是基于可见光并非单色,是由多种颜色组成的复合光,大致分为红橙黄绿青蓝紫七色,每种颜色光的波长和频率都不同,红颜色波长最长频率最低,蓝紫颜色波长最短频率最高。

而人眼看到任何物体都是由于光波传递到我们的视网膜,光的多普勒效应就呈现出:向我们移动的物体波长变短频率变高,光谱就向蓝端移动,叫蓝移;反之,离开我们的物体光谱就向红端移动,叫红移。

计算红移值的公式为:Z=(λ-λ0)/λ

这里的Z为无量纲量,Z为正值则指向红移,负值则指向蓝移;λ表示观测到的光谱波长,λ0表示光谱固有波长。从这个公式我们可以看出,所谓光谱红移值Z,就是观测到光谱的波长减去某个光谱固有波长再除以这个固有波长的倍数。

光谱的固有波段可以在实验室得到,如氢原子的电子从2、3、4轨道跃迁到基态(第1轨道)时,发出的辐射波长依次为121.57nm(纳米,后同)、102.57nm、97.254nm,这就是著名的“莱曼线系”,并依次称为莱曼α线、莱曼β线、莱曼γ线等等。

氢元素是宇宙中最普遍存在的元素,占宇宙可见质量的75%左右,所有的恒星都是以氢为主的元素组成,因此观测氢的谱线红移是观测遥远天体的主要方法。如通过观测得到某天体的莱曼α线的波长为1565.85nm,减去实验室得到的固有波长121.57,再除以121.57,就能得到这个星系的红移值为11.88。

121.57nm和1565.88nm波长的光都不是可见光,分别属于紫外光和红外光范围。紫外光的波长范围在10~400nm之间,红外光波长范围在780nm~1mm(毫米,1mm=1000000nm)之间。一个星系发出的光谱线,随着宇宙膨胀红移量就会越来越大,由此光谱从不可见的紫外光红移到可见光,再逐渐移向了不可见的红外光部分。

这样,太远的星系采用观测可见光波段的光学望远镜就无法看到了,而韦伯望远镜的长项就是观测红外波段,可以看到600nm~28.8μm(微米,1μm=1000nm)这个范围。

光谱线红移与距离的关系/

上世纪初美国天文学家哈勃发现了宇宙膨胀现象,就是远方所有星系都在远离我们,各向同性,离去的速度与距离成正比。就是说不管从哪个方向看,星系都是离开我们的,并且距离越远越快,成比例关系。

由此哈勃得到了一个定律,表述为V=HD。这里的V表示星系离开我们的速度;H表示哈勃常数;D为星系与我们的实际距离。哈勃常数H是指距离我们Mpc(百万秒差距单位,约326万光年)的地方,星系每秒离开我们的速度。

科学界采用各种方法测量了哈勃常数几十年,每次测得的数据并不统一,范围约在55~82.4km/s之间。而现在计算出宇宙年龄为138.2亿岁,是根据欧空局采用普朗克卫星测得的哈勃常数为67.8km/s,代入计算得到的。

哈勃定律蕴含着一个换算关系,就是知道了星系距离,就知道了离开我们的速度;反之,知道了离开我们的速度,就知道了星系与我们的距离。而红移量则与哈勃定律有一个换算关系,其公式表述为:Z=HD/c。

这里的Z为红移量,H为哈勃常数,D为实际被观测星系实际距离,c为光速。根据光谱红移量越大,距离越远的规律,将得到的红移量代入公式,就能够得出这个被观测星系与我们的距离了。

韦伯望远镜发现红移值16.7的星系,说明了什么?

韦伯望远镜发现了一个被命名为GLASS-z13的星系,z13代表红移值为13,这个值对应的是大爆炸后约3亿年发出的光。根据宇宙年龄138.2亿岁计算,这个星系距离我们约135亿光年。

这只是GLASS-z13星系刚刚发出光时与我们的距离,根据宇宙膨胀规律,这个星系现在已经退行到330亿光年距离了。研究表明,GLASS-z13的质量只相当太阳质量的10亿倍,而银河系的质量为太阳万亿倍以上(包括暗物质),这个星系只有银河系的0.1%,说明是一个极小的星系。

研究还认为这个星系的年龄只有约7100万岁左右,因此是一个刚形成不久或者说正在形成的婴儿星系。在韦伯发现这个星系之前,宇宙中发现最远的星系是GN-z11,这个红移量11.1的星系对应我们距离134亿光年,是哈勃望远镜发现的最远的星系。

也就是说,韦伯望远镜一睁开眼,就将人类视力延伸了1.5亿光年,由此,引起了世界科学界和媒体的轰动。但韦伯的厉害还远远不止如此,天文学家们现在只是将GL-z13作为进一步调查的候选者来研究。

在韦伯传回的图片中,天文学家们还发现了几颗红移量更大的星系。其中有一个达到z>14,还至少有3个达到z>16,其中有一个z=16.7。这些发现都以论文方式发表在著名的arXiv期刊上。

这说明了什么呢?说明有可能韦伯望远镜拍摄到了距离我们136亿光年以上的星系,这些星系只是宇宙大爆炸2亿年左右的样子。

韦伯望远镜最重要任务之一,就是探测研究宇宙大爆炸发出的第一缕光,据标准宇宙模型测算,这束光发生在大爆炸38万年以后,宇宙从极高温度和极高密度状态下得到冷却和稀释,光子(电磁波)才能得以脱耦而出,从此宇宙才变得透明和可见。

这缕光迸射开来一直冷却了138亿年,现在以宇宙微波背景辐射的方式存在于整个空间,温度约为2.73K(-270.42℃)。韦伯的任务时间为10年,现在睁开眼睛才半个来月,已经看到了136亿年前的宇宙样子,且惊人的发现不断传来,那么最终能够看到第一缕光的样子吗?我们拭目以待。