280亿光年！哈勃发现宇宙最远恒星，那里是宇宙的尽头吗？

根据《自然》（Nature）杂志刊载的一项新研究[1]，哈勃太空望远镜取得了一项重大发现，它观测到了目前已知最远的恒星，目前距离地球达到了280亿光年，这颗恒星发出的光用了129亿年才来到地球上。

爱因斯坦的狭义相对论告诉我们，光速是宇宙中最快的速度，那么，这颗恒星如何在129亿年的时间里，行进280亿光年的距离呢，岂不是远超光速了？哈勃又是如何发现如此之远的恒星呢？

恒星可以说是宇宙中的基本组成单元，它们点亮了黑暗的宇宙，我们的太阳也是一颗普通的恒星。数以亿计的恒星在引力的作用下，聚集形成跨度几万至几十万光年的结构——星系。星系又进一步形成巨大的宇宙星系网络。

恒星是由大量氢和氦组成的等离子体球，内部正在发生核聚变反应，不断向外发出能量，产生辐射压来对抗自身引力坍缩。恒星的寿命直接取决于质量，质量越大的恒星，核聚变反应越剧烈，消耗的燃料速率越快，寿命反而越短。

对于质量超过太阳100倍的恒星，它们的寿命只有几百万至几千万年。对于质量为太阳数倍的恒星，它们的寿命通常为几亿年。像太阳这样的恒星，寿命可以达到100亿年。宇宙中质量最小的一类恒星——红矮星，它们的质量不到太阳的一半，但寿命可达上千亿年，甚至上万亿年。

大质量恒星对于其他恒星甚至生命的演化至关重要。早在138亿年前，宇宙大爆炸诞生时，原初核合成过程只产生了大量的氢和氦两种元素，其他元素几乎不存在。只有在大质量恒星诞生后，它们通过核聚变以及超新星爆发，才合成了各种重元素，组成人体的很多元素最初皆是源自大质量恒星，这也是为什么说“我们都是星尘”。

由于大质量恒星的寿命很短，宇宙诞生至今已有138亿年，早期宇宙中的大质量恒星如今早已不在。为了研究那些独特的恒星，我们只有把目光望向深邃的宇宙，因为光速有限，只要我们看得足够远的距离，就能看到足够早时间的宇宙，从而看到早期宇宙中的大质量恒星。

但与星系相比，恒星的尺寸要小很多，而且也要暗淡很多。早期宇宙中的恒星发出的光来到现在时，已经极度衰弱，就连强大的哈勃太空望远镜都无法看到这样微弱的星光。事实上，以哈勃的解析力，最远只能分辨出1亿光年外的单一恒星。那么，哈勃这次又是如何观测到如此遥远的恒星呢？

这得益于爱因斯坦的广义相对论预言的一种现象——引力透镜效应。根据广义相对论，有质量的物体会扭曲周围的时空，质量越大越密集的天体，周围时空的扭曲效应越强烈。

质量巨大的星系团就能强烈扭曲附近的空间，原本位于星系团背后被挡住的遥远天体，它们发出的光到达星系团附近时，就会被弯曲空间扭曲，星系团就像放大镜一样扭曲和放大了背景天体的图像，这就是引力透镜效应。

在哈勃此次最新观测到的引力透镜效应中，前景天体WHL0137-08是一个巨大的星系团，它目前距离地球69亿光年（红移为0.566）。在其背后遥远的宇宙中，有一个星系与这个星系团、地球三者刚好完美排成一条直线，那个遥远的背景星系图像就被星系团强大引力所扭曲，形成一条长长的弧线。

在畸变的图像中，可以从背景星系中辨认出一颗单一的恒星（有可能是双星系统），编号为WHL0137-LS。天文学家又把这颗恒星命名为埃兰迪尔（Earendel），在古英语中意为“冉冉升起的星星或者晨星”。

经过分析，埃兰迪尔发出的光用了129亿年才来到地球上，这意味着它所处的宇宙当时年龄只有9亿年。那时，这颗恒星所在的星系与当时的原始银河系相距大约40亿光年。但它发出的光用40亿年的时间根本到达不了银河系，这是因为宇宙在膨胀。

哈勃定律表明，整个宇宙空间都在膨胀，对于相距越远的星系，它们之间的空间在单位时间内膨胀越多，所以星系之间相互退行速度看起来也越快。最终，埃兰迪尔发出的光用了129亿年的时间才走完了去往银河系的路途，而非40亿年。

由于过去上百亿年来，空间一直在不断膨胀，并且50亿年前在暗能量作用下开始加速膨胀，这导致埃兰迪尔所在的那个星系目前已经退行到280亿光年外，129亿年的时间里退行了240亿光年。

虽然这个星系的退行速度达到了光速的1.86倍，远超光速，但这是由空间膨胀效应造成的，而非它相对于背景空间的速度，这与狭义相对论并不矛盾。事实上，星系自身在宇宙中的运动速度并不快，例如，仙女座星系相对于银河系的运动速度约为110公里/秒。

目前的可观测宇宙半径已经膨胀到465亿光年，这个星系所处的位置远不是宇宙的尽头。事实上，我们根本不知道宇宙究竟有没有尽头，因为465亿光年外的不可观测宇宙究竟有多大没人知道。

天文学家通过分析估算，埃兰迪尔的质量至少是太阳的50倍，最大甚至可能达到太阳的500倍，它向外释放出巨大的能量，光度高达太阳的几百万倍。虽然这颗大质量恒星非常亮，但星光穿过上百亿光年的距离后，将会极度衰减，不可能被哈勃直接观测到。

但在星系团的强大引力透镜作用下，埃兰迪尔的亮度被放大几千倍，这才让哈勃能够直接观测到它，埃兰迪尔成为目前发现的最远单一恒星。但要深入了解这颗恒星的性质，还需要借助更加强大的詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）。

作为人类有史以来最强的太空望远镜，韦布目前还在调试当中，目前只对太阳系附近的恒星进行测试观测。再过几个月，等到韦布全部调试完成之后，它将可以被用于观测埃兰迪尔，让天文学家深入研究早期宇宙恒星的性质。

参考文献

[1] Brian Welch, Dan Coe, Jose M. Diego, et al. A highly magnified star at redshift 6.2, Nature, 2022, 603, 815-818.