129亿年，这颗有史以来的最古老恒星是如何被发现的？
本文来自微信公众号：环球杂志社（ID：GlobeMagazine），作者：苟利军（中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授）、邓舒夏（《中国国家天文》杂志特邀编辑），编辑：姚依娜，头图来自：NASA
3月30日，英国《自然》杂志在线刊登了一篇题为《一颗亮度被极度放大、位于红移6.2的恒星》的文章。文章一上线，就引起了媒体及大众的极度关注。这颗恒星的红移信息显示，它距离地球约280亿光年，也就是宇宙大爆炸发生9亿年后（距今约129亿年前），这颗恒星就已经诞生了。
一、宇宙时空在膨胀
《自然》杂志这篇文章标题中的“红移”是一个物理学概念。可以用多普勒效应类比，来理解红移这个概念。关于多普勒效应，一个常见的例子是救护车警报声音的变化。救护车从远处靠近的过程中，警报的频率会因为多普勒效应变高，人们听到的警报声音会变得越来越刺耳。而救护车远离的过程中，警报的频率会变低，警报声音也会变得低沉。
与此类似，在宇宙中，当一个产生辐射的天体源远离我们运动时，相较它静止时的波长，它产生的辐射波长会朝着电磁波谱的红端移动，波长会增加，频率会变小，这就是红移现象。可以想象，如果天体源朝向我们运动，它产生的辐射波长就会朝着电磁波谱的蓝端移动，波长会减少，频率会变大，这就是蓝移现象。
1999年12月，宇航员在哈勃太空望远镜上执行任务
1929年，美国天文学家哈勃通过观测发现，很多星系都在远离地球，并且距离地球越远，星系的退行速度越快，这一观测结果成为宇宙大爆炸学说的重要基础。如今，主流的大爆炸宇宙学说告诉我们，宇宙起始于138亿年前的一次大爆炸，自那时到现在，宇宙一直处于膨胀的状态。在地球上的观测者看来，除了本地星系之外，几乎所有的其他星系或者星系团都在远离地球而去，这就导致观测时看到天体所产生的辐射的波长会整体朝着电磁波谱的红端移动。这种因为时空膨胀而导致的红移现象，在天文学中被称为宇宙学红移。当波长增加1倍时，我们就说它的红移为1。《自然》刊载文章所述恒星的红移为6.2，说明与静止波长相比，它的波长增加了6.2倍。
此次探测结果很让人吃惊的一点是，这颗恒星距离地球竟然达到了280亿光年之远，而它的诞生时间是129亿年之前，这让人疑惑：为何距离竟然比诞生时间所对应的光速距离还要远。光速是物体运动的最快速度，为什么还会发生这样的现象？
对此，最简单的回答就是，因为宇宙的时空在膨胀。正是因为宇宙天体在演化的同时，时空同时在膨胀，天体彼此之间相距越来越远，甚至超过了宇宙历史时间所对应的距离。人们知道的宇宙年龄为138亿年，它所对应的可视宇宙的距离最大为463亿光年。
二、“引力透镜”效应
之所以能够探测到如此遥远的恒星，要归功于宇宙中存在一种被称为“引力透镜”的效应。“引力透镜”效应在此次探测中起到了决定性的作用。
爱因斯坦1915年提出了广义相对论，这个理论认为，引力并非由质量直接引起，而是有质量的物体导致物体周围的时空发生弯曲所表现出来的效应。后面光源所发出的光线经过前景天体周围时，因为时空弯曲，光线会沿着弯曲的路径传播，从而导致光线发生汇聚效应，最终，观测者看到的后面的光源因为前景天体的汇聚效应而变得更亮。所以星系团充当了一个透镜，可以放大背景物体。这非常类似于日常生活中使用凸透镜来聚集太阳光所发生的效应，所以这种效应就被称为“引力透镜”效应。“引力透镜”效应，其实也就是时空弯曲的结果。
在观测者看来，背景天体会形成一个被称为“爱因斯坦环”的像，或者一个或多个巨大的圆弧——取决于透镜天体和观测者组成的连线是否和背景天体对齐，以及前景天体中物质的分布状态。透镜星系团的典型放大倍数是几倍，但也可能高达数十或数百倍。如果星系中的某颗恒星偶然与透镜星系团完美对齐，那么这颗恒星可以获得更高的放大倍数。最近，几颗红移在1到1.5之间的恒星被发现，它们的亮度被放大了数千倍。而科学家们最新发现的这个位于红移6.2的恒星，是被一个红移为0.566的星系团WHL0137-08因“引力透镜”效应放大了亮度。根据模拟结果发现，这颗恒星的亮度被放大了1000到4万倍。
三、“晨星”如何被找到
那么，这颗129亿年前的恒星是如何被找到的呢？这要从哈勃太空望远镜的遗迹珍宝项目（RELICS Treasury programme）说起。
哈勃太空望远镜遗迹珍宝项目的目的，是想对普朗克卫星所探测的质量最重的一批星系团在红外波段进行观测，希望发现一些高红移天体的“引力透镜”效应，从而借助这些高红移天体来研究并加深对于早期宇宙的理解。
哈勃太空望远镜遗迹珍宝项目最先利用哈勃太空望远镜的一个轨道时间（大约90分钟）在光学波段对41透镜星系团进行短时间曝光观测，之后又利用哈勃太空望远镜第三代广域照相机（WFC3）在红外的4个波段利用两个轨道时间对这些星系团进行了观测。对于大多数星系团，这些观测被分成了两次，差不多相隔40天。而对于此次发现的星系团WHL0137-08，分别是在2016年6月7日和2016年7月17日进行了观测。WHL0137-08最早是在斯隆数字巡天项目（SDSS）中被发现并且确认了红移，之后在普朗克卫星的巡天中它也被探测到，并且被列为排名第31的最重星系团。
早些时候，通过一项在遗迹珍宝项目数据中搜索高红移星系的工作，科学家们已经在这个星系团的图像中发现了位于红移大约在6.2处、长度为15角秒的弧线，后来称之为“日出弧”。这个弧线长度和之前发现的最亮引力透镜像的弧差不多。不过之前发现的背景源位于红移2.4处，要比这次的近一些。正是这一发现，促使科学家在之后的2019年11月4日和2019年11月27日又分别用哈勃太空望远镜进行了两次观测，两次观测时间相隔23天。最后一张照片是在第一张照片3.5年后获得的。这些数据被叠加在一起，产生了深度图像，并且还产生了单次观测的图像，从而使研究恒星的光度变化成为可能。
就是在这个弧上，科学家们发现了一颗亮度被放大的天体，这颗天体被命名为WHL0137-LS。如何判断它是一个恒星而不是一个星团呢？
首先，科学家们发现这的确是一个圆点。如果它原来尺寸比较大并且大小不规则的话，很容易产生被拉伸的变形，所以它只能是一个很小的天体。
接下来，通过对不同的“引力透镜”模型的分析发现，这个背景天体源的大小应该最小为0.09 秒差距（parsec，1秒差距=3.26光年），最大可以到0.36 秒差距。这个天体源的半径比目前所知道的星团半径都要小。目前所观测到的最小星团，半径大约在0.7 秒差距，是此次观测到的天体源的限制半径最大值的两倍，而比最小值要大将近一个数量级。科学家们考虑本地星团的大小和高红移星团的大小会有所差别，但很遗憾的是，无论是观测还是数值模拟，都没有相关的直接数据。该文作者由此推断，发生透镜效应的天体源，应该是一个或者多个恒星构成的系统。
另外，相隔几年的观测数据表明，对应天体的亮度一直没有变化，所以排除了对应天体为超新星或者致密天体吸积的可能性。
假设对应天体是一个单质量天体，对应天体的质量最有可能在40到500倍的太阳质量之间。科学家们给这颗恒星起了一个别名，叫Earendel，该词来自古英语，意为“晨星”，寓意就是宇宙中最早出现的恒星中最亮的那一颗。
四、发现“晨星”的意义
宇宙大爆炸之初，宇宙中仅存在氢和氦，以及极少量的金属锂。构成生命的其他更重的元素，都是在之后的恒星演化过程中产生的。所以，科学家想象，早期宇宙的环境和现在的环境有着极大的差别，诞生于相应环境之中的恒星也肯定有着很大的差别。此次探测到的“晨星”，就为科学家研究早期宇宙提供了一个非常难得的窗口和机会。
2021年12月25日，韦布空间望远镜发射升空并顺利入轨。这张美国国家航空航天局提供的照片显示，韦布空间望远镜与火箭分离
不过因为目前的结果，包括恒星的光谱类型、温度以及质量，还存在很大的不确定性，科学家们已经申请到了韦布空间望远镜的观测时间，希望借助这台最为先进的望远镜，进一步确定“晨星”的一些基本性质，从而在未来对早期宇宙的环境有一个更好的理解。
此次发现极高红移的恒星是偶然的，不过偶然之中也暗含着必然，它也是人类不断努力探索宇宙的结果。韦布空间望远镜于去年年底发射升空并且运行顺利，更大口径的地基望远镜正在建造中，引力波探测设备也在不断升级……它们犹如多束探照灯，将穿透早期宇宙的迷雾和黑暗。人类一睹宇宙早期模样的日子或已不远。
本文来自微信公众号：环球杂志社（ID：GlobeMagazine），作者：苟利军、邓舒夏
