詹姆斯·韦伯太空望远镜能看到宇宙地平线上的星系吗？ _太空

星系JADES-GS-z14-0，距离地球338亿光年。（图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、STScI、布兰特·罗伯逊（加州大学圣克鲁斯分校）、本·约翰逊（加州大学洛杉矶分校）、桑德罗·塔切拉（剑桥大学）、菲尔·卡吉尔（加州大学旧金山分校））
据美国生活科学网站（Robert Lea）：自2022年开始向地球发回数据以来，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观测了一些有史以来最遥远的星系。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，我们看不到这些星系现在的样子，而是数十亿年前的样子。
此外，我们的宇宙估计有138亿年的历史。因此，我们应该假设我们所能看到的最遥远的星系距离我们不超过138亿光年。（一光年是光在一年中传播的距离）。这一点应该是某种“宇宙视界”——超过这个视界，望远镜就无法看到。而且，因为没有什么能比c更快地穿越太空，这意味着不可能有一个距离超过138亿光年的星系，而且越来越远可能会影响地球。正确的
错了。要是宇宙就这么简单就好了。
亚利桑那大学天文学家Jake Helton也是JWST高级深部星系外巡天（JADES）团队的一员，他告诉Space.com：“宇宙视界是人们可能检索信息的最大距离。” 。
赫尔顿继续说道：“有几种不同的宇宙视界，它们有不同的定义，并取决于各种宇宙量。这里最相关的是宇宙视界，它是宇宙时代光可能到达我们的最大距离。这定义了可观测宇宙的边缘。”

JWST的NIRSpec仪器测量的JADES-GS-z14-0的红移光谱（图片来源：NASA、ESA、CSA、J.Olmsted（STScI）。科学：S.Carniani（高等师范学校），JADES合作。）
2024年3月，JADES科学家透露，这架强大的望远镜发现了JADES-GS-z14-0，这是人类迄今为止见过的最遥远、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。
我们怎么能看到一个如此遥远的物体发出的光，以至于宇宙还不够古老，无法到达我们这里？JADES-GS-z14-0的位置距离地球338亿光年，这难道不意味着我们看到的是338亿年前的样子吗？这肯定会挑战宇宙年龄的估计？
事实并非如此。这再次证明，宇宙有一种方法可以颠覆理智和逻辑的结论。
赫尔顿反问：“既然像JADES-GS-z14-0这样的遥远星系距离我们超过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，我们怎么能观测到它呢？” 。“答案是宇宙的膨胀。”
看到一个比时间更古老的星系
如果宇宙只是静止不动，那么来自338亿光年外星系的光需要338亿年才能到达我们这里，就是这样。但是，在20世纪初，埃德温·哈勃发现，遥远的星系似乎正在相互远离，它们之间的距离越远，它们的速度就越快。换句话说，宇宙不是静止的；它正在扩张。
1998年，随着20世纪接近尾声，两个独立的天文学家团队观察到，不仅宇宙在膨胀，而且膨胀也在加速，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”的占位符名称

一张图表显示了宇宙最初因大爆炸而膨胀，然后在暗能量接管时以加速率膨胀。（图片来源：NASA/WMAP科学团队）
在138亿年的宇宙历史中，有两个主要而不同的膨胀时期。第一个阶段是快速宇宙膨胀的初始阶段，现在通常被称为“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纳米长到突然长到10.6光年（62万亿英里）长。此时，宇宙被能量所主宰，这一时期被称为能量主导时代。
随后，在大爆炸后47000年开始了一个物质主导的时代。最终，宇宙的普遍膨胀使宇宙冷却到足以让质子从夸克和胶子形成，然后质子与电子结合形成第一个氢原子，形成了第一批恒星和星系。在此期间，大爆炸驱动的宇宙膨胀减缓到近乎停止。
当宇宙的年龄不到100亿年时，物质主导的时代出人意料地结束了。这时，宇宙突然开始再次快速膨胀。此外，这种扩张越来越快，甚至在今天仍在加速。宇宙的第三个重要时期被称为暗能量主导时代。这是我们目前所处的时代。

宇宙视界的图示，这是我们用任何望远镜都能看到的宇宙中最遥远的点（图片来源：Pablo Carlos Budassi（CC by SA 3.0））
由于宇宙的这些膨胀期，来自JADES-GS-z14-0的光实际上只传播到JWST和地球135亿年，尽管它的来源现在比135亿光年远得多。这意味着JWST看到的JADES-GS-z14-0是大爆炸后3亿年的样子。如果没有宇宙的膨胀，JADES-GS-z14-0仍然距离我们约135亿光年，尽管它仍然会经历较小的局部运动，这些运动可能会使它更靠近或远离附近的星系。但这种星系运动与宇宙膨胀引起的运动相去甚远。
根据赫尔顿的说法，宇宙视界，或“光子视界”，是一个边界约为461亿光年的球体，这个数字是由宇宙的膨胀决定的。这是我们不应该“看到”星系的实际地平线。星系JADES-GS-z14-0确实在这个视界内。
为了避免混淆，天文学家实际上使用了两种距离测量尺度：一种是消除宇宙膨胀因素的共同移动距离，另一种是包括宇宙膨胀的适当距离。这意味着JADES-GS-z14-0的共同移动长度为135亿光年，而其适当距离为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的。

显示光从早期星系到JWST的旅程的图表（图片来源：Robert Lea（与Canva共同创建））
拥有詹姆斯·韦伯太空望远镜的幸运时代
JWST可以看到JADES-GS-z14-0的事实意味着它曾经与地球和我们当地的宇宙“因果连接” 。换句话说，来自JADES-GS-z14-0的信号有可能在银河系中到达我们，因此，在这个宇宙的现代时代，这个星系中存在的“原因”可能会对我们的星系产生“影响” 。
赫尔顿说：“任何可观测的星系都必须在粒子视界内，并且必须在宇宙历史的某个时刻与我们有因果关系。” 。
然而，情况已不再如此。像JADES-GS-z14-0和JADES发现的其他星系这样的星系现在距离我们如此之远，并且由于暗能量的作用，它们被如此迅速地远离我们，以至于它们今天发出的任何信号都无法到达我们这里。这是因为光子视界以光速远离我们，但对于非常遥远的物体来说，银河系和这些星系之间的空间正在以比光速更快的速度膨胀。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宇宙速度极限。然而，这是针对在空间中运动的物体的规则，而不是针对空间本身结构的规则。
在地球和人类早已消失约2万亿年后，宇宙的膨胀意味着，无论银河系中有什么智能物种取代了我们（如果有的话），都将无法看到任何存在于我们所在星系群之外的星系——该星系群的直径约为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中。我们能够比任何可能追随我们的智慧生命更多地了解宇宙及其起源。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。
赫尔顿说：“与JWST和JADES合作令人难以置信。” 。“与JWST一起写科学论文，就像我最近在JADES-GS-z14-0上写的论文一样，是我研究生涯中最有收获和最令人兴奋的经历。”