我們能看到最遙遠的恆星有多古老？

當我們望向宇宙深處時，我們看到的並不是今天的天體，而是它們在到達地球的光線發射時的樣子。離我們最近的恆星是比鄰星（Proxima Centauri），距離我們約4.24光年；換言之，我們現在看到的是它在4.24年前的發出的光。然而，對於更遠的恆星，當我們回望它們時，還必須考慮到宇宙的膨脹。而且，這些恆星也是在很長一段時間之前形成的，比如比鄰星誕生於48.5億年前，比太陽還要古老。

在「大天文臺宇宙起源深空巡天計劃南天區」（GOODS-South field）的紫外光圖像中可以看兩個鄰近宇宙的星系，其中一個正在活躍地形成新恆星（藍色），另一個則只是普通星系。在背景中，可以看到遙遠的星系及其星族。根據星系內部恆星的年齡，以及已測量到的星系距離，我們可以確定它們內部的恆星是何時形成的。

　　我們如何將目前已有的數據整合起來，確定宇宙中所有恆星的年齡？我們知道宇宙有138億年的歷史，而可觀測到的宇宙跨度約為465億光年。那麼，這兩者之間的關係是什麼？當我們觀察一顆恆星時，我們可以知道它與我們的距離，但是我們如何知道它的年齡呢？

　　這是一個很好的問題。想要回答這個問題，就需要我們把兩種非常不同的信息放在一起。以下我們就來了解天文學家是怎麼做的。

　　當我們觀察非常鄰近的宇宙中的恆星，比如銀河系或許多鄰近星系中的恆星時，我們可以對單個恆星的屬性進行測量。不僅如此，其中一項屬性——恆星目前與地球的距離——實際上與星光的傳播時間是相同的。換句話說，像比鄰星這樣距離我們4.24光年的恆星，其光線在經過整整4.24年的太空旅行後才到達我們的眼睛。

　　然而，這兩條信息只適用於相對鄰近宇宙中的恆星。當觀察的距離越來越遠時，我們就再也無法一一分辨出恆星的各個屬性，因為望遠鏡的視線在離開本超星系團（又稱室女座超星系團，包含銀河系和仙女座星系所屬的本星系群）之前，其解析度就已經逐漸降低了。此外，一旦離開本星系群，我們就必須考慮空間結構本身的擴張，不僅是光波長的延伸（導致紅移）而且會導致觀測對象的距離（以光年計）與該對象的光傳播時間（以年計）之間的矛盾。

數位化巡天（Digitized Sky Survey）的一部分，顯示了距離太陽最近的恆星——比鄰星（紅色中心）。比鄰星距離地球4.2光年。光傳播到這顆恆星的時間以年為單位，其傳播距離幾乎就等於它與我們的距離（以光年為單位）。

　　我們首先要明白的是，當我們仰望宇宙中的遙遠物體時，我們其實是在回顧過去。可以肯定的是，如果你觀測的是幾光年，甚至幾千或上萬光年以外的恆星，那它們的星光大約也需要相同數量的「年」才到達你的眼睛。但如果你觀測的是幾千萬光年以外的星系，宇宙的膨脹就開始產生巨大的影響。

　　原因是這樣的：光一旦離開光源，就會向四面八方傳播。其中，沿著視線傳播的光最終會到達你的眼睛（確切來說是望遠鏡的鏡頭），但在此之前，它必須穿過你和光源之間的所有空間。這有點像在發酵的麵包裡放上一些葡萄乾；當麵包發麵時，麵團會膨脹，葡萄乾之間也會離得更遠。那些開始時距離較近的恆星，只會相對膨脹一點點；而那些開始時距離很遠的恆星，在傳播信號（比如光線）完成其旅程時，其距離可能會變得更加遙遠。

這個簡單的動畫展示了在膨脹的宇宙中光是如何紅移的，以及兩個未被綁定的物體之間的距離是如何隨時間變化的。要注意的是，兩個星系開始時的距離要小於光在它們之間傳播的實際距離。光的紅移是由於空間的膨脹，而兩個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得多。

　　宇宙正在膨脹的事實意味著，恆星光線到達地球的時間越長，其傳播時間和我們與恆星目前的距離（以光年計）之間的矛盾就越大。科學家已經知道宇宙的組成（普通物質、暗物質和暗能量），以及如今宇宙膨脹的速度，因此，我們可以進行必要的計算來確定宇宙在其整個歷史中是如何膨脹的。

　　這是一種非常強大的技術，因為它的變化幅度很小。在今天的宇宙中，只要受到廣義相對論的支配，那麼在宇宙構成及其隨時間的膨脹速度之間就存在著一種明確的關係。科學家可以通過前所未有的精度來測量各種宇宙物體的距離，以及它們的紅移，從而確定這種關係，並在後來的宇宙微波背景和大尺度結構測量中加以證實。

宇宙膨脹的「葡萄乾麵包」模型，星系（葡萄乾）的相對距離會隨著空間（麵團）的膨脹而增大。任何兩個星系的彼此距離越遠，接收到的光的紅移值就越大。膨脹宇宙所預測的紅移-距離關係在觀測中得到了證實，並與自20世紀20年代以來已知的情況相一致。

　　這項技術也意味著，我們在觀測宇宙中的某個物體時，既可以計算出回溯的時間有多久遠，也能知道這個物體現在距離我們有多遠。舉幾個例子：

　　•當一個物體的光需要1億年時間才能到達地球時，意味著我們看到的是一個目前距離我們1.01億光年的物體；

　　•當一個物體的光需要10億年才能到達地球時，這個物體現在距離我們約10.35億光年；

　　•如果光需要30億年時間才能到達地球，意味著這個物體現在距離我們約33.46億光年；

　　•經過70億年後才到達地球的光，來自一個距離我們92.8億光年的物體；

　　•需要100億年才能到達地球的光，對應著一個158億光年之外的物體；

　　•需要120億年才能到達地球的光，來自一個距離約226億光年的物體。

　　•來自迄今為止被探測到的最遙遠物體——GN-z11星系——的光，經過了134億年才到達哈勃太空望遠鏡的鏡頭，現在距離我們約321億光年。

　　全套數據不僅可以區分有暗物質和暗能量的宇宙與沒有暗物質和暗能量的宇宙，還可以告訴我們宇宙在歷史上是如何膨脹的。很明顯，這條品紅色實線和數據是最吻合的，表明宇宙傾向於由暗能量主導，沒有空間曲率。

　　在測量一個遙遠的物體時，我們直接測量的通常是它的亮度，以及它的光譜紅移值，這就足以確定它當前的距離和光的傳播時間。當我們測量來自321億光年之外的物體的光時，我們看到的是134億年前的光，也就是在宇宙大爆炸後4.07億年時發出的。

　　然而，這還不足以告訴我們該星系中恆星的年齡；這只能告訴我們光的年齡。為了知道產生這種遙遠光線的恆星的年齡，理想的做法是測量單個恆星的確切屬性。我們可以對銀河系中的恆星這麼做。利用最高解析度的望遠鏡，我們可以識別出5000萬或6000萬光年之外的單個恆星。不幸的是，這段距離僅僅是我們與可觀測宇宙邊緣之間的0.1%；超過這段距離，我們就無法再解析出單個的恆星。

　　標有GN-z11星系的「大天文臺宇宙起源深空巡天計劃北天區」（GOODS-N field），這是迄今為止發現的最遙遠的星系。這個星系的光譜紅移值約為11.1，表明它的光來自134億年前，也就是大爆炸之後的4.07億年，這相當於該星系目前與地球的距離約為320億光年。

　　如果能夠測量單個恆星，我們就可以構建出天文學中所謂的顏色-星等圖（color-magnitude diagram）：我們可以繪製出一顆恆星的內在亮度與其顏色/溫度之間的關係。這非常有用。當恆星最初形成時，它們的顏色-星等圖大致呈現為一條蜿蜒的對角線，最亮的恆星也是最藍和最熱的，而最暗的恆星則更紅、更冷。最年輕的恆星群由各種不同顏色/亮度的恆星組合而成。

　　但隨著恆星年齡的增長，最熱、最藍和最亮的恆星消耗燃料的速度最快，並開始消亡。它們最終會演化成紅巨星和/或超巨星，但這意味著恆星的數量隨著恆星年齡的增長而開始演變。只要我們能在疏散星團、球狀星團甚至在銀河系以外的鄰近星系中分辨出單個的恆星時，就能精確地確定一個星族的年齡。星族是指星系中年齡、化學物質組成、空間分布與運動特性較為接近的恆星集合。當你把這些數據與已接收到的光的年齡的信息結合起來，就能最終得出恆星的年齡。

　　在球狀星團Terzan 5內部，有許多較為古老、質量較低的恆星（微弱的紅色），但也有較熱、較年輕、質量較高的恆星，其中一些會產生鐵和更重的元素。對於如此近距離的星團，哈勃望遠鏡可以分辨出其中的單個恆星，但在一定距離之外，哈勃望遠鏡就只能收集到匯聚的恆星光線。

　　然而，當我們不能再觀察一個星系中的單個恆星時，又該怎麼辦呢？有沒有什麼方法可以根據觀察到的光來估計星系內部恆星的年齡，即使我們不能分辨這些恆星本身？

　　事實上，我們可以使用一個代理來獲取無法獲得的信息，但是在翻譯星系內部的恆星年齡時，需要犧牲一些精確性。在觀測一個遙遠的物體，比如一個無法分辨（或勉強分辨）的星系時，我們仍然可以測量來自其中所有恆星的總星光。我們可以將這些光分解成不同的波長，並確定這些光中有多少是紫外光、藍光、綠光、黃光、紅外光等等。

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

　　換句話說，只要對一個遙遠星系的顏色進行準確的測量，我們就能估計出它最近一次恆星形成的時間，從而得出其內部那些恆星的年齡。

　　然而，由於我們必須做出這些估計，也就引入了不確定性。一個在數億年時間裡經歷多次恆星形成的星系，與一個只發生過一次重要合併，然後同時形成所有恆星的星系，可能會呈現截然不同的圖像。對於藍色極深的星系，誤差可能小至幾千萬年，而對於缺少年輕藍色恆星的星系，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上更小、更藍、更混亂、氣體更豐富。對於第一批星系來說，這種效應已經達到極點。我們可以通過一個星系的固有顏色來判斷其恆星的年齡。

　　科學家還可以應用其他的方法，比如測量表面亮度波動（這取決於變星，即從地球上觀察其亮度有起伏變化的恆星，而變星又取決於星系內部恆星的年齡），但是大多數方法在超出一定距離後就失效了。然而，如果我們可以獲得光譜學測量數據，而不是僅僅通過各種顏色通道（即通過光度）來測量亮度，那就能獲得更好一點的結果。通過吸收線和發射線來測量各種原子和分子躍遷的強度，我們就可以根據最近一次恆星形成爆發以來的年齡，從而確定一個星族的位置。

　　這張圖片顯示了迄今為止發現的一些最遙遠星系的光譜線確認結果，這使得天文學家能夠確定我們與這些星系之間令人難以置信的遙遠距離。各種特徵的相對強度可以為我們提供最近恆星形成的跡象。

　　總結一下，如果想知道你所觀察的恆星的年齡，你需要了解兩件事：

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

　　2。 你需要知道恆星本身的年齡，從你收集到星光的那一刻開始回溯。

　　當你能分辨出單個恆星時，這是一個非常簡單的問題，但科學家目前只能分辨出5000萬至6000萬光年之外的單個恆星。相比之下，可觀測到的宇宙向四面八方延伸約460億光年，這意味著我們無法對宇宙中絕大多數的恆星使用這種方法。我們只能使用某種間接方法，比如基於星系本身顏色的年齡估計，但這會帶來額外的不確定性。隨著對恆星和恆星演化的更深理解，以及在不久的將來可能應用的高級儀器和望遠鏡，科學家有望更精確地了解那些最遙遠、最古老的物體。（任天）