最遠(yuǎn)的恒星

美國(guó)《自然》雜志近日刊載的一篇文章稱，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡取得了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，它觀測(cè)到了目前已知的最遠(yuǎn)的恒星，其目前距離地球280億光年，這顆恒星發(fā)出的光用了129億年的時(shí)間才來到地球。我們知道光速是宇宙中最快的速度，可這顆恒星發(fā)出的光在129億年的時(shí)間里，卻行進(jìn)了280億光年的距離，這不是意味著它的速度已遠(yuǎn)超光速了？哈勃又是如何發(fā)現(xiàn)如此之遠(yuǎn)的恒星的？別急，本期，牙牙帶你走進(jìn)神秘的宇宙。

什么是恒星

恒星是宇宙中的基本組成單元，它們點(diǎn)亮了黑暗的宇宙，我們的太陽(yáng)也是一顆恒星。數(shù)以億計(jì)的恒星在引力的作用下，聚集形成跨度幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)光年的結(jié)構(gòu)——星系，星系又進(jìn)一步形成巨大的宇宙星系網(wǎng)絡(luò)。

恒星是由大量的氫和氦組成的等離子體球，其壽命直接取決于質(zhì)量，質(zhì)量越大的恒星，核聚變反應(yīng)越劇烈，消耗燃料的速率越快，壽命就越短。那些質(zhì)量超過太陽(yáng)100倍的恒星，它們的壽命只有幾百萬(wàn)至幾千萬(wàn)年;質(zhì)量為太陽(yáng)數(shù)倍的恒星，它們的壽命通常為幾億年;像太陽(yáng)這樣的恒星，壽命可長(zhǎng)達(dá)100億年;而宇宙中質(zhì)量最小的一類恒星——紅矮星，它們的質(zhì)量不到太陽(yáng)的一半，壽命則可達(dá)上千億年，甚至上萬(wàn)億年。

大質(zhì)量恒星是宇宙中至關(guān)重要的存在。在138億年前，宇宙大爆炸時(shí)，只產(chǎn)生了氫和氦兩種元素，其他的元素幾乎不存在。大質(zhì)量恒星誕生后，通過核聚變以及超新星爆發(fā)，才合成了各種元素。組成人體的很多元素其實(shí)都來源于大質(zhì)量恒星，所以，人們常說的“我們都是星塵”，是有科學(xué)根據(jù)的。

哈勃的神秘武器

由于大質(zhì)量恒星的壽命很短，而宇宙誕生至今已有138億年，早期宇宙中的大質(zhì)量恒星如今早已不在了。因此，為了研究那些大質(zhì)量恒星，我們只有把目光望向深邃的宇宙，因?yàn)楣馑儆邢?，只要我們看得足夠遠(yuǎn)，就能看到足夠早時(shí)間的宇宙，從而看到早期宇宙中的大質(zhì)量恒星。

但與星系相比，恒星的尺寸要小很多，而且也要暗淡很多。早期宇宙中的恒星發(fā)出的光來到現(xiàn)在，已經(jīng)極度衰弱，就連強(qiáng)大的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡都無法看到那些微弱的星光。事實(shí)上，以哈勃的解析能力，最遠(yuǎn)只能分辨出1億光年外的單一恒星。那么，哈勃這次是如何觀測(cè)到如此遙遠(yuǎn)的恒星的？

哈勃的秘密武器其實(shí)是愛因斯坦預(yù)言的一種現(xiàn)象——引力透鏡效應(yīng)。簡(jiǎn)單來說，就是有質(zhì)量的物體會(huì)扭曲周圍的時(shí)空，質(zhì)量越大越密集的天體，周圍時(shí)空的扭曲效應(yīng)越強(qiáng)烈，因此，質(zhì)量巨大的星系團(tuán)能強(qiáng)烈扭曲附近的空間。位于星系團(tuán)背后的遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光到達(dá)星系團(tuán)附近時(shí)，會(huì)被彎曲空間扭曲，這時(shí)，星系團(tuán)就像放大鏡一樣扭曲和放大了背景天體的圖像，這就是引力透鏡效應(yīng)。

在哈勃此次最新觀測(cè)到的引力透鏡效應(yīng)中，前景天體WHL0137-08是一個(gè)巨大的星系團(tuán)，它目前距離地球69億光年。在其背后遙遠(yuǎn)的宇宙中，有一個(gè)星系與它、地球三者剛好完美排成一條直線，那個(gè)遙遠(yuǎn)的星系的圖像被WHL0137-08的強(qiáng)大引力所扭曲，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的弧線，于是，天文學(xué)家便通過這個(gè)畸變的圖像，辨認(rèn)出了一顆單一的恒星（也有可能是雙星系統(tǒng)）。天文學(xué)家將這顆恒星稱為WHL0137-LS，也稱為“埃蘭迪爾”（該詞在古英語(yǔ)中意為“冉冉升起的星星”，或者“晨星”）。

天文學(xué)家通過分析估算，認(rèn)為埃蘭迪爾的質(zhì)量至少是太陽(yáng)的50倍，甚至可能達(dá)到500倍，它向外釋放出巨大的能量，光度高達(dá)太陽(yáng)的幾百萬(wàn)倍。雖然這顆大質(zhì)量恒星非常亮，但星光穿過上百億光年的距離后，將會(huì)極度衰減，原本不可能被哈勃直接觀測(cè)到。但在強(qiáng)大的引力透鏡效應(yīng)的作用下，埃蘭迪爾的亮度被放大了幾千倍，這才讓哈勃直接觀測(cè)到它。

神奇的宇宙膨脹

經(jīng)過分析，埃蘭迪爾發(fā)出的光用了129億年才來到地球，這意味著它所處的宇宙當(dāng)時(shí)年齡只有9億年。那時(shí)，這顆恒星所在的星系與當(dāng)時(shí)的原始銀河系相距大約40億光年。但它發(fā)出的光用40億年的時(shí)間根本到達(dá)不了銀河系，這是因?yàn)橛钪嬖谂蛎洝?/p>

天文學(xué)家通過研究，認(rèn)為整個(gè)宇宙空間都在膨脹。相距越遠(yuǎn)的星系，它們之間的空間在單位時(shí)間內(nèi)膨脹越多，所以星系之間相互退行速度（簡(jiǎn)單理解就是各自向后退，拉開彼此間的距離的速度）也越快。因此，埃蘭迪爾發(fā)出的光用了129億年的時(shí)間才來到銀河系，而非40億年。

由于過去上百億年來，宇宙空間一直在不斷膨脹，并且50億年前，在暗能量的作用下，宇宙空間開始加速膨脹，這導(dǎo)致埃蘭迪爾所在的那個(gè)星系目前已經(jīng)退行到280億光年外，在129億年的時(shí)間里退行了240億光年。雖然它的退行速度達(dá)到了光速的1.86倍，遠(yuǎn)超光速，但這是由空間膨脹造成的，并非它真正的速度。事實(shí)上，星系自身在宇宙中的運(yùn)動(dòng)速度并不快，例如，仙女座星系相對(duì)于銀河系的運(yùn)動(dòng)速度僅約為110公里/秒。

目前的可觀測(cè)宇宙半徑已經(jīng)膨脹到465億光年，所以埃蘭迪爾所在的那個(gè)星系所處的位置遠(yuǎn)不是宇宙的盡頭。事實(shí)上，我們根本不知道宇宙究竟有沒有盡頭，因?yàn)?65億光年外的不可觀測(cè)宇宙究竟有多大，沒人知道。

埃蘭迪爾是人類目前發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)的單一恒星，但要深入了解這顆恒星的性質(zhì)，還需要借助更加強(qiáng)大的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。作為人類有史以來最強(qiáng)的太空望遠(yuǎn)鏡，韋伯目前還在調(diào)試當(dāng)中，只對(duì)太陽(yáng)系附近的恒星進(jìn)行觀測(cè)。相信，等到韋伯全部調(diào)試完成之后，天文學(xué)家將會(huì)了解到埃蘭迪爾更多的秘密，能更深入地研究早期宇宙恒星的性質(zhì)。

（本文根據(jù)DillanQiu發(fā)表的相關(guān)文章整編。）