我們宇宙的年齡大約為138億年，而北京大學科維理天文與天體物理研究所江林華領銜的國際團隊確認了一個星系遠在134億光年外，是人類至今發現的最遙遠天體。
這意味著，這個名為GN-z11的星系在宇宙大爆發後約4億年就已經形成，它發出的光經歷了134億年的穿行才抵達地球上的望遠鏡，十分古老。該成果對理解宇宙早期星系和恆星形成有重要意義，為研究宇宙極早期天體打開了一扇窗口。
兩篇相關論文於12月14日發表在《自然-天文》（Nature Astronomy）雜誌上。
遙遠與古老
正如美劇《生活大爆炸》主題曲的歌詞開頭，宇宙一度又火熱又稠密，大約140億年前終於爆了炸。大爆炸後約38萬年，光子和重子物質退耦，質子和電子結合成穩定的中性氫原子，宇宙中暫時沒有了發光物體，陷入一段「黑暗時代」，直到大爆炸後約1.5億年，宇宙大尺度結構在暗物質作用下開始顯現，帶來了第一代恆星的誕生。第一代星系則在之後的1億年左右形成。這些天體發出的光子電離了附近的中性氫，重新「點亮」宇宙，即宇宙再電離。
這些早期天體發出的「第一縷曙光」，是宇宙歷史學家們非常感興趣的研究對象。但是，地球上時時刻刻都在接收宇宙中四面八方來的光，如何知道哪些光是「新」的，哪些光是「老」的？
生活中有這樣一個有趣的現象：當一輛救護車鳴著笛由遠及近向你迎面駛來的時候，你會聽到警笛聲變響，音調變高；而當車從近而遠離去的時候，聲音變輕的同時，音調變低。物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化，這就是「都卜勒效應」。
光波在宇宙膨脹的影響下，也會出現類似的「紅移」效應。要知道，在可見光中，紅光的波長是最長的，向光譜的紅端移動，就意味著波長變長。通過測量光的紅移（通常記為z），科學家們可以判斷星系的年齡。
紅移數值越大，星系就越古老，距離也越遙遠。大爆炸後38萬年對應著紅移1100左右，而大爆炸後4億年對應著紅移11左右。這個星系名為GN-z11，其實就是紅移11的意思。
紅移11
早在2016年哈勃望遠鏡發現GN-z11的時候，就通過圖像初步判定它的紅移可能達到了10以上。哈勃的近紅外觀測設備發現一處紅移值約為11.09的斷裂。不過，此前國際上普遍認為，現有的望遠鏡很難測量出該星系的準確紅移值，需等待詹姆斯·韋伯望遠鏡等下一代旗艦平臺。
GN-z11藝術想像圖 來源：北京天文館喻京川
要知道，即使不考慮星系的亮度因距離增加而呈平方反比衰減，在同等距離下，一個紅移11的星系亮度也要比紅移0的同樣星系暗上144倍。
與此同時，古老的光波在宇宙膨脹的因素下早已紅移到了波長比紅光還要長的紅外波段，而地球本身就是個巨大的紅外汙染源，要讓望遠鏡探測紅外光，就好像戴著眼鏡在蒸籠裡看東西一樣。
2017年4月，江林華團隊利用世界上最先進的地面紅外望遠鏡之一——夏威夷山上十米口徑的凱克（Keck）望遠鏡，對GN-z11進行了深度光譜觀測，基於光譜分析出該星系的準確紅移為10.957，證實其為134億光年之外的星系。
這項工作表明，現有大型天文設備有能力探測到部分像GN-z11這樣的早期星系的光譜。
最古老伽馬暴？
當然，下一代紅外天文觀測設備有望對GN-z11這樣的星系進行深入理解，甚至是GN-z11的前輩星系們。
原來，研究團隊不僅從光譜中讀出了準確紅移，也讀出了其他信息。光譜顯示有三條發射線，由碳和氧的二次電離氣體發出，表明該星系中已有豐富的非氫非氦元素。宇宙中一開始只有氫元素，隨著演化進程逐漸聚變出更重的元素。這個信息說明，GN-z11並非宇宙中第一代星系。
此外，研究團隊還探測到來自該星系方向的一次爆發，呈現為一明亮的近紅外光譜。這個星系在不到3分鐘的短短時間裡，亮度似乎增長了數百倍。經詳細分析，基本排除該爆發信號來自地球上人造物體和太陽系天體等來源。
理論計算表明，該光譜可能本來來自於GN-z11的一次伽馬暴（伽瑪射線是一種波長很短、能量很高的光波），為伴隨該伽馬暴的紫外輻射。
伽馬暴是宇宙中最為劇烈的爆發形式，極其罕見。目前，人類已知最古老的伽馬暴發生在宇宙大爆炸後5億年左右。若GN-z11光譜上的這一「驚喜」成立，江林華就在發現最古老、最遙遠星系的同時，還發現了最古老、最遙遠的伽馬暴。
來源：澎湃新聞廣州日報全媒體編輯 黃捷慧