据《天体物理学杂志》近日发表的一项研究，一个国际天文学团队观测到了可能是迄今最遥远的星系，并命名为“HD1”。观测信号来自135亿光年之外，这意味着HD1诞生于宇宙大爆炸后约3亿年，是首批形成的星系。如果被证实，它将创造一个遥远星系的新纪录。
仰望星河，我们在地球上肉眼看到的绝大部分星星都来自银河系。而对于浩瀚的宇宙来说，像银河系这样的星系至少有数千亿个。光线传播需要时间，来自越遥远星系的信号，产生的时期越早。研究遥远的星系就像观测者穿越到古代，去观看一场历史的现场直播，吸引着天文学家孜孜以求。
现代天文学认为，宇宙始于约138亿年前的大爆炸，在那之后约38万年，膨胀的宇宙逐渐从高温致密的状态冷却下来，中性原子开始形成。这些原子气体进一步冷却，并在引力作用下聚集成团，慢慢形成第一代恒星和第一代星系，逐步演化至今。但天文学家还不确定的是，第一代天体具体形成的时间、物理性质、演化过程，以及对宇宙整体演化的影响等。通过搜寻越来越遥远的星系，天文学家获得了更多线索。在HD1被发现之前，最遥远星系的纪录由2016年发现的星系GN—z11保持，其信号来自宇宙大爆炸后约4亿年。
这些遥远的星系是如何被发现的？由于宇宙在膨胀，离地球越远的星系相对地球而言退行速度就越快，导致其辐射的光被观测到时会产生明显的红移，即波长会比原本更长。红移为1代表着波长变长1倍，红移越大表示距离越远。天文学家可依此计算出星系的距离，以及观测信号产生时宇宙所处的年龄。
而要精确确定一个星系的红移，天文学家需要获得该星系的光谱，然后通过测量光谱线波长的移动得出结果。原理不难理解，困难来自观测。通常，越遥远的星系越暗弱，需要用大口径望远镜等尖端观测设备长时间探测才可能发现。然而天空中暗弱的天体数目太多，像人口普查一样对每个暗弱天体拍光谱往往是不可能的，因此必须有效缩小探测范围。
好在对天空拍照的成本比拍光谱要低得多，观测者可以事先对特定天空长时间曝光拍照，从图像中遴选出特定目标，然后再用望远镜资源对其进行光谱观测。一个最常用的办法是搜寻那些只在长波图像有信号的源，因为越高红移的星系，其信号在越长的波长处才能探测到。HD1就是这样脱颖而出的“候选者”：据介绍，HD1是从昴星团望远镜、英国红外望远镜、维斯塔天文望远镜和斯皮策太空望远镜等观测的约70万个天体中选出。随后，观测者用位于智利的ALMA毫米波望远镜对HD1“聚焦”，探测到了一个可能的谱线，红移值为13.27。
需要强调的是，HD1的红移和距离仍有待进一步观测证实。2021年底发射的韦伯太空望远镜因在红外波段超高的灵敏度，将推动这一领域的革命性进步，可以拭目以待。
“天高地迥，觉宇宙之无穷。”对于宇宙边界的好奇和追问古来有之。如今，科学理论的进步打开了更多观察宇宙的视角，先进的观测设备将人类的视界延伸至更远，正带我们不断接近这一问题的答案。
（作者为中国科学技术大学天文学系教授）
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