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【新知】我們能看到最遙遠(yuǎn)的恒星有多古老？

北京時(shí)間8月6日消息，當(dāng)我們望向宇宙深處時(shí)，我們看到的并不是今天的天體，而是它們?cè)诘竭_(dá)地球的光線(xiàn)發(fā)射時(shí)的樣子。離我們最近的恒星是比鄰星(Proxima Centauri)，距離我們約4.24光年;換言之，我們現(xiàn)在看到的是它在4.24年前的發(fā)出的光。然而，對(duì)于更遠(yuǎn)的恒星，當(dāng)我們回望它們時(shí)，還必須考慮到宇宙的膨脹。而且，這些恒星也是在很長(zhǎng)一段時(shí)間之前形成的，比如比鄰星誕生于48.5億年前，比太陽(yáng)還要古老。

在“大天文臺(tái)宇宙起源深空巡天計(jì)劃南天區(qū)”(GOODS-South field)的紫外光圖像中可以看兩個(gè)鄰近宇宙的星系，其中一個(gè)正在活躍地形成新恒星(藍(lán)色)，另一個(gè)則只是普通星系。在背景中，可以看到遙遠(yuǎn)的星系及其星族。根據(jù)星系內(nèi)部恒星的年齡，以及已測(cè)量到的星系距離，我們可以確定它們內(nèi)部的恒星是何時(shí)形成的。

我們?nèi)绾螌⒛壳耙延械臄?shù)據(jù)整合起來(lái)，確定宇宙中所有恒星的年齡?我們知道宇宙有138億年的歷史，而可觀(guān)測(cè)到的宇宙跨度約為465億光年。那么，這兩者之間的關(guān)系是什么?當(dāng)我們觀(guān)察一顆恒星時(shí)，我們可以知道它與我們的距離，但是我們?nèi)绾沃浪哪挲g呢?

這是一個(gè)很好的問(wèn)題。想要回答這個(gè)問(wèn)題，就需要我們把兩種非常不同的信息放在一起。以下我們就來(lái)了解天文學(xué)家是怎么做的。

當(dāng)我們觀(guān)察非常鄰近的宇宙中的恒星，比如銀河系或許多鄰近星系中的恒星時(shí)，我們可以對(duì)單個(gè)恒星的屬性進(jìn)行測(cè)量。不僅如此，其中一項(xiàng)屬性——恒星目前與地球的距離——實(shí)際上與星光的傳播時(shí)間是相同的。換句話(huà)說(shuō)，像比鄰星這樣距離我們4.24光年的恒星，其光線(xiàn)在經(jīng)過(guò)整整4.24年的太空旅行后才到達(dá)我們的眼睛。

然而，這兩條信息只適用于相對(duì)鄰近宇宙中的恒星。當(dāng)觀(guān)察的距離越來(lái)越遠(yuǎn)時(shí)，我們就再也無(wú)法一一分辨出恒星的各個(gè)屬性，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的視線(xiàn)在離開(kāi)本超星系團(tuán)(又稱(chēng)室女座超星系團(tuán)，包含銀河系和仙女座星系所屬的本星系群)之前，其分辨率就已經(jīng)逐漸降低了。此外，一旦離開(kāi)本星系群，我們就必須考慮空間結(jié)構(gòu)本身的擴(kuò)張，不僅是光波長(zhǎng)的延伸(導(dǎo)致紅移)而且會(huì)導(dǎo)致觀(guān)測(cè)對(duì)象的距離(以光年計(jì))與該對(duì)象的光傳播時(shí)間(以年計(jì))之間的矛盾。

數(shù)字化巡天(Digitized Sky Survey)的一部分，顯示了距離太陽(yáng)最近的恒星——比鄰星(紅色中心)。比鄰星距離地球4.2光年。光傳播到這顆恒星的時(shí)間以年為單位，其傳播距離幾乎就等于它與我們的距離(以光年為單位)。

我們首先要明白的是，當(dāng)我們仰望宇宙中的遙遠(yuǎn)物體時(shí)，我們其實(shí)是在回顧過(guò)去?？梢钥隙ǖ氖?，如果你觀(guān)測(cè)的是幾光年，甚至幾千或上萬(wàn)光年以外的恒星，那它們的星光大約也需要相同數(shù)量的“年”才到達(dá)你的眼睛。但如果你觀(guān)測(cè)的是幾千萬(wàn)光年以外的星系，宇宙的膨脹就開(kāi)始產(chǎn)生巨大的影響。

原因是這樣的：光一旦離開(kāi)光源，就會(huì)向四面八方傳播。其中，沿著視線(xiàn)傳播的光最終會(huì)到達(dá)你的眼睛(確切來(lái)說(shuō)是望遠(yuǎn)鏡的鏡頭)，但在此之前，它必須穿過(guò)你和光源之間的所有空間。這有點(diǎn)像在發(fā)酵的面包里放上一些葡萄干;當(dāng)面包發(fā)面時(shí)，面團(tuán)會(huì)膨脹，葡萄干之間也會(huì)離得更遠(yuǎn)。那些開(kāi)始時(shí)距離較近的恒星，只會(huì)相對(duì)膨脹一點(diǎn)點(diǎn);而那些開(kāi)始時(shí)距離很遠(yuǎn)的恒星，在傳播信號(hào)(比如光線(xiàn))完成其旅程時(shí)，其距離可能會(huì)變得更加遙遠(yuǎn)。

這個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)展示了在膨脹的宇宙中光是如何紅移的，以及兩個(gè)未被綁定的物體之間的距離是如何隨時(shí)間變化的。要注意的是，兩個(gè)星系開(kāi)始時(shí)的距離要小于光在它們之間傳播的實(shí)際距離。光的紅移是由于空間的膨脹，而兩個(gè)星系之間的距離比光子在它們之間交換的光傳播路徑要長(zhǎng)得多。

宇宙正在膨脹的事實(shí)意味著，恒星光線(xiàn)到達(dá)地球的時(shí)間越長(zhǎng)，其傳播時(shí)間和我們與恒星目前的距離(以光年計(jì))之間的矛盾就越大。科學(xué)家已經(jīng)知道宇宙的組成(普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量)，以及如今宇宙膨脹的速度，因此，我們可以進(jìn)行必要的計(jì)算來(lái)確定宇宙在其整個(gè)歷史中是如何膨脹的。

這是一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，因?yàn)樗淖兓群苄?。在今天的宇宙中，只要受到廣義相對(duì)論的支配，那么在宇宙構(gòu)成及其隨時(shí)間的膨脹速度之間就存在著一種明確的關(guān)系。科學(xué)家可以通過(guò)前所未有的精度來(lái)測(cè)量各種宇宙物體的距離，以及它們的紅移，從而確定這種關(guān)系，并在后來(lái)的宇宙微波背景和大尺度結(jié)構(gòu)測(cè)量中加以證實(shí)。

宇宙膨脹的“葡萄干面包”模型，星系(葡萄干)的相對(duì)距離會(huì)隨著空間(面團(tuán))的膨脹而增大。任何兩個(gè)星系的彼此距離越遠(yuǎn)，接收到的光的紅移值就越大。膨脹宇宙所預(yù)測(cè)的紅移-距離關(guān)系在觀(guān)測(cè)中得到了證實(shí)，并與自20世紀(jì)20年代以來(lái)已知的情況相一致。

這項(xiàng)技術(shù)也意味著，我們?cè)谟^(guān)測(cè)宇宙中的某個(gè)物體時(shí)，既可以計(jì)算出回溯的時(shí)間有多久遠(yuǎn)，也能知道這個(gè)物體現(xiàn)在距離我們有多遠(yuǎn)。舉幾個(gè)例子：

?當(dāng)一個(gè)物體的光需要1億年時(shí)間才能到達(dá)地球時(shí)，意味著我們看到的是一個(gè)目前距離我們1.01億光年的物體;

?當(dāng)一個(gè)物體的光需要10億年才能到達(dá)地球時(shí)，這個(gè)物體現(xiàn)在距離我們約10.35億光年;

?如果光需要30億年時(shí)間才能到達(dá)地球，意味著這個(gè)物體現(xiàn)在距離我們約33.46億光年;

?經(jīng)過(guò)70億年后才到達(dá)地球的光，來(lái)自一個(gè)距離我們92.8億光年的物體;

?需要100億年才能到達(dá)地球的光，對(duì)應(yīng)著一個(gè)158億光年之外的物體;

?需要120億年才能到達(dá)地球的光，來(lái)自一個(gè)距離約226億光年的物體。

?來(lái)自迄今為止被探測(cè)到的最遙遠(yuǎn)物體——GN-z11星系——的光，經(jīng)過(guò)了134億年才到達(dá)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的鏡頭，現(xiàn)在距離我們約321億光年。

全套數(shù)據(jù)不僅可以區(qū)分有暗物質(zhì)和暗能量的宇宙與沒(méi)有暗物質(zhì)和暗能量的宇宙，還可以告訴我們宇宙在歷史上是如何膨脹的。很明顯，這條品紅色實(shí)線(xiàn)和數(shù)據(jù)是最吻合的，表明宇宙傾向于由暗能量主導(dǎo)，沒(méi)有空間曲率。

在測(cè)量一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體時(shí)，我們直接測(cè)量的通常是它的亮度，以及它的光譜紅移值，這就足以確定它當(dāng)前的距離和光的傳播時(shí)間。當(dāng)我們測(cè)量來(lái)自321億光年之外的物體的光時(shí)，我們看到的是134億年前的光，也就是在宇宙大爆炸后4.07億年時(shí)發(fā)出的。

然而，這還不足以告訴我們?cè)撔窍抵泻阈堑哪挲g;這只能告訴我們光的年齡。為了知道產(chǎn)生這種遙遠(yuǎn)光線(xiàn)的恒星的年齡，理想的做法是測(cè)量單個(gè)恒星的確切屬性。我們可以對(duì)銀河系中的恒星這么做。利用最高分辨率的望遠(yuǎn)鏡，我們可以識(shí)別出5000萬(wàn)或6000萬(wàn)光年之外的單個(gè)恒星。不幸的是，這段距離僅僅是我們與可觀(guān)測(cè)宇宙邊緣之間的0.1%;超過(guò)這段距離，我們就無(wú)法再解析出單個(gè)的恒星。

標(biāo)有GN-z11星系的“大天文臺(tái)宇宙起源深空巡天計(jì)劃北天區(qū)”(GOODS-N field)，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的星系。這個(gè)星系的光譜紅移值約為11.1，表明它的光來(lái)自134億年前，也就是大爆炸之后的4.07億年，這相當(dāng)于該星系目前與地球的距離約為320億光年。

如果能夠測(cè)量單個(gè)恒星，我們就可以構(gòu)建出天文學(xué)中所謂的顏色-星等圖(color-magnitude diagram)：我們可以繪制出一顆恒星的內(nèi)在亮度與其顏色/溫度之間的關(guān)系。這非常有用。當(dāng)恒星最初形成時(shí)，它們的顏色-星等圖大致呈現(xiàn)為一條蜿蜒的對(duì)角線(xiàn)，最亮的恒星也是最藍(lán)和最熱的，而最暗的恒星則更紅、更冷。最年輕的恒星群由各種不同顏色/亮度的恒星組合而成。

但隨著恒星年齡的增長(zhǎng)，最熱、最藍(lán)和最亮的恒星消耗燃料的速度最快，并開(kāi)始消亡。它們最終會(huì)演化成紅巨星和/或超巨星，但這意味著恒星的數(shù)量隨著恒星年齡的增長(zhǎng)而開(kāi)始演變。只要我們能在疏散星團(tuán)、球狀星團(tuán)甚至在銀河系以外的鄰近星系中分辨出單個(gè)的恒星時(shí)，就能精確地確定一個(gè)星族的年齡。星族是指星系中年齡、化學(xué)物質(zhì)組成、空間分布與運(yùn)動(dòng)特性較為接近的恒星集合。當(dāng)你把這些數(shù)據(jù)與已接收到的光的年齡的信息結(jié)合起來(lái)，就能最終得出恒星的年齡。

在球狀星團(tuán)Terzan 5內(nèi)部，有許多較為古老、質(zhì)量較低的恒星(微弱的紅色)，但也有較熱、較年輕、質(zhì)量較高的恒星，其中一些會(huì)產(chǎn)生鐵和更重的元素。對(duì)于如此近距離的星團(tuán)，哈勃望遠(yuǎn)鏡可以分辨出其中的單個(gè)恒星，但在一定距離之外，哈勃望遠(yuǎn)鏡就只能收集到匯聚的恒星光線(xiàn)。

然而，當(dāng)我們不能再觀(guān)察一個(gè)星系中的單個(gè)恒星時(shí)，又該怎么辦呢?有沒(méi)有什么方法可以根據(jù)觀(guān)察到的光來(lái)估計(jì)星系內(nèi)部恒星的年齡，即使我們不能分辨這些恒星本身?

事實(shí)上，我們可以使用一個(gè)代理來(lái)獲取無(wú)法獲得的信息，但是在翻譯星系內(nèi)部的恒星年齡時(shí)，需要犧牲一些精確性。在觀(guān)測(cè)一個(gè)遙遠(yuǎn)的物體，比如一個(gè)無(wú)法分辨(或勉強(qiáng)分辨)的星系時(shí)，我們?nèi)匀豢梢詼y(cè)量來(lái)自其中所有恒星的總星光。我們可以將這些光分解成不同的波長(zhǎng)，并確定這些光中有多少是紫外光、藍(lán)光、綠光、黃光、紅外光等等。

恒星的生命周期可以通過(guò)顏色-星等圖(如圖)來(lái)理解。隨著星團(tuán)的老化，它們的顏色-星等圖會(huì)逐漸黯淡，使我們能夠確定這個(gè)星團(tuán)的年齡。最古老的球狀星團(tuán)，如右圖所示的更古老星團(tuán)，年齡至少有132億年。

換句話(huà)說(shuō)，只要對(duì)一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的顏色進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，我們就能估計(jì)出它最近一次恒星形成的時(shí)間，從而得出其內(nèi)部那些恒星的年齡。

然而，由于我們必須做出這些估計(jì)，也就引入了不確定性。一個(gè)在數(shù)億年時(shí)間里經(jīng)歷多次恒星形成的星系，與一個(gè)只發(fā)生過(guò)一次重要合并，然后同時(shí)形成所有恒星的星系，可能會(huì)呈現(xiàn)截然不同的圖像。對(duì)于藍(lán)色極深的星系，誤差可能小至幾千萬(wàn)年，而對(duì)于缺少年輕藍(lán)色恒星的星系，誤差可能大至10億到20億年。

可以與今天的銀河系進(jìn)行比較的星系有很多，但相比我們今天看到的眾多星系，與銀河系相似的更年輕的星系本質(zhì)上更小、更藍(lán)、更混亂、氣體更豐富。對(duì)于第一批星系來(lái)說(shuō)，這種效應(yīng)已經(jīng)達(dá)到極點(diǎn)。我們可以通過(guò)一個(gè)星系的固有顏色來(lái)判斷其恒星的年齡。

科學(xué)家還可以應(yīng)用其他的方法，比如測(cè)量表面亮度波動(dòng)(這取決于變星，即從地球上觀(guān)察其亮度有起伏變化的恒星，而變星又取決于星系內(nèi)部恒星的年齡)，但是大多數(shù)方法在超出一定距離后就失效了。然而，如果我們可以獲得光譜學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)，而不是僅僅通過(guò)各種顏色通道(即通過(guò)光度)來(lái)測(cè)量亮度，那就能獲得更好一點(diǎn)的結(jié)果。通過(guò)吸收線(xiàn)和發(fā)射線(xiàn)來(lái)測(cè)量各種原子和分子躍遷的強(qiáng)度，我們就可以根據(jù)最近一次恒星形成爆發(fā)以來(lái)的年齡，從而確定一個(gè)星族的位置。

這張圖片顯示了迄今為止發(fā)現(xiàn)的一些最遙遠(yuǎn)星系的光譜線(xiàn)確認(rèn)結(jié)果，這使得天文學(xué)家能夠確定我們與這些星系之間令人難以置信的遙遠(yuǎn)距離。各種特征的相對(duì)強(qiáng)度可以為我們提供最近恒星形成的跡象。

總結(jié)一下，如果想知道你所觀(guān)察的恒星的年齡，你需要了解兩件事：

1。 你需要知道你所看到的光線(xiàn)有多古老，這意味著你需要知道這個(gè)物體在膨脹的宇宙中距離地球有多遠(yuǎn);

2。 你需要知道恒星本身的年齡，從你收集到星光的那一刻開(kāi)始回溯。

當(dāng)你能分辨出單個(gè)恒星時(shí)，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但科學(xué)家目前只能分辨出5000萬(wàn)至6000萬(wàn)光年之外的單個(gè)恒星。相比之下，可觀(guān)測(cè)到的宇宙向四面八方延伸約460億光年，這意味著我們無(wú)法對(duì)宇宙中絕大多數(shù)的恒星使用這種方法。我們只能使用某種間接方法，比如基于星系本身顏色的年齡估計(jì)，但這會(huì)帶來(lái)額外的不確定性。隨著對(duì)恒星和恒星演化的更深理解，以及在不久的將來(lái)可能應(yīng)用的高級(jí)儀器和望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家有望更精確地了解那些最遙遠(yuǎn)、最古老的物體。【責(zé)任編輯/額華】

來(lái)源：新浪科技

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