“你们的望远镜能看多远？”
在天文台工作，这是一个经常被问到的问题，可每每给出的答复都不能令提问者满意……
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人类的空间和时间观念的起源一定与我们头顶的星空相伴相生，而后延伸到宇宙——四方上下，古往今来。星空所呈现出的持续性、周期性和指引性吸引人类长久的凝视和沉思。
01
目之所及
在晴朗、无月、零光害的夜空，肉眼最暗能看到6等星（视星等），能看到最远的行星、恒星、星系分别是：天王星、海山二和仙女星系/三角星系。
〇 天王星
这颗浅蓝绿色的行星距离地球平均25亿公里，光行时间2小时40分钟，视星等6等左右，冲日（每1年零4-5天发生一次）时最亮可达5.5等。
〇 海山二（η Carinae船底座）
是一颗南天恒星，也是迄今人类发现随时有可能超新星爆发的恒星之一，距离地球7500光年，当前视星等为4.3等。
〇 华盖三（V762 Cas 仙后座）
曾被认为是肉眼可见的最远的恒星（估计距离约1.4万光年），然而根据最新的Gaia EDR3结果，其距离仅约2500光年。
另外，还有一些距离地球1万光年左右的恒星，视星等在肉眼可见边缘，具体谈论哪一颗最远意义不大，它们大多是变星，亮度非常不稳定，视星等的数据也可能不够准确。
〇 仙女星系M31/三角星系M33
距离地球分别为254万光年和300万光年，视星等分别为3.44和5.72，空中相距约15度，都在奔赴银河系的路上。
当然还有超新星、伽马暴等瞬变天体现象，可以短时间内把人类目之所及延伸到几十亿光年。
02
“时光机”与“地平线”
用时间表示距离，自古有之。天文学上用“光年”表示距离也有近200年的历史了。爱因斯坦相对论基于光速不变的实验事实，把时间和空间紧密联系在一起。人类仰望星空实际上是在回溯时空。距离越远，时间越早，越古老。
望远镜的发明延伸了人类的视野，像一台神奇的“时光机”，让我们有机会望向宇宙深处的“地平线”，看穿宇宙的过往，这恐怕也是天文学富有吸引力的原因之一。正如在埃德温·哈勃的眼中：天文学的历史是不断退后的“地平线”的历史。
The history of astronomy is a history of receding horizons.
——Edwin Powell Hubble(1936)
“The Realm of the Nebulae”
03
那些最遥远的
回到开篇的那个问题“能看多远”，其实并没有确切的答案。一台望远镜造好后，天文学家能明确告诉你的是能看到“多么暗弱”的天体，而不是多远。
以哈勃望远镜为例，你如果问它能看多远？随着天文学家们竞相找到登顶榜首的新天体，答案也在不断变化。哈勃就一直在不停地打破自己创造的记录，用不断更新的发现延伸人类回溯宇宙的边际。
哈勃望远镜（HST）对早期宇宙研究的革命性贡献。| 图源：NASA/ESA
在哈勃望远镜发射之前，地基光学望远镜只能观测到红移不超过1的天体，约相当于大爆炸至今宇宙年龄的一半，而哈勃最新的记录已经到红移11.1，即约3%的宇宙年龄。它的继任者韦布望远镜（JWST）将能探测到更早期、更遥远的宇宙。
下面我们一起乘着“时光机”细数迄今已确认探测到的最遥远。
迄今确认观测到最遥远的天体 | 图源：见标注
2021年10月，钱德拉X射线望远镜在2800万光年外的旋涡星系M51中发现的第一颗河外行星候选者M51-ULS-1b还有待进一步证实。
2022年4月初，一个国际研究团队发现新的最遥远星系候选者HD1，红移高达13.27，比GN z11又年轻一亿岁、远了约12亿光年。不过我们对此还需谨慎乐观，因为他们用于确认红移值的唯一谱线只是一个4σ的初步（tentative）结果，还不能说是“经谱线证认的”。
宇宙演化示意图，圆圈标出的是确认和候选的最遥远星系GN z11和HD1 | 图源: Harikane et al., NASA, EST and P. Oesch/Yale
04
膨胀的是空间，红移的是光
天文学家通过测量遥远天体发出光子的波长因空间膨胀而被拉伸的程度，即所谓红移z，来探测宇宙的深度，研究其历史。红移值越大，表示在时间和空间上的距离就越远。宇宙微波背景辐射（CMB）对应的红移约为1100，当时的宇宙已演化了38万年。红移的精确测定是通过一系列光谱认证实现的，即给天体的电磁辐射做分光，就像用棱镜制造彩虹那样，并识别已知原子、离子或分子在特定波长谱线的偏移量，从而精确测定红移。
膨胀宇宙中光线红移和空间距离变化示意图 | 图源：Rob Knop
但是更遥远的星系的光太过微弱，直接光谱测量有时不可行。天文学家们转而想出一些巧妙的粗略光谱学技术给出红移估值。
其中一种叫“莱曼断裂方法”，即通过覆盖从光学到近红外波段的多种不同滤光片，获得较宽的光谱形状，并在其中寻找一个特征锐利“台阶”——“莱曼断裂”，这是由宇宙最初约10亿年里恒星和星系发出的波长小于91.2纳米的强紫外光被弥漫的中性氢气体完全吸收所产生的，“断裂”出现在光谱上的位置取决于星系的距离，从而给出星系红移的估值。
这种方法可以批量筛选出早期宇宙中的星系，但其身份确认还需要借助更精细的光谱测量确定红移值，在此之前都只能叫候选者。
埃德温· 哈勃1936年在他的《星云世界》一书中这样描述对早期宇宙的探测经历：“随着距离的增加，我们关于宇宙的知识迅速枯竭。最终，到达暗淡的边际——望远镜的探测极限。在那里，我们测量阴影，并在幽灵般的测量误差中寻找几乎没有更多实质性的地标。”如今读来仍然意味深长。
With increasing distance, our knowledge fades, and fades rapidly. Eventually, we reach the dim boundary——the utmost limits of our telescopes. There, we measure shadows, and we search among ghostly errors of measurement for landmarks that are scarcely more substantial.
——Edwin Powell Hubble (1936)
“The Realm of the Nebulae”
如果把现在的宇宙比作一个百岁老人，我们已经通过“时光机”看到了他3岁时的片段，这几乎是“哈勃”的极限操作。而新的“时光机”韦布（JWST）已经在太空准备就绪，即将吹响探测更早期宇宙的号角，不断打破新的记录，发现成千上万个宇宙第一代发光天体（恒星、星系等），回溯襁褓中的宇宙。
05
那些遥不可及
“没有最远，只有更远……”可以当作人类探索宇宙的口号，但事实上，还是有最远的。宇宙的存在时间（约138亿年）和光速都是有限的，所以“可观测宇宙”也是有限的，半径约为465亿光年。这个半径之所以远大于138亿光年，是因为宇宙空间在不断膨胀。
最后，我们再次回到开篇的那个问题。其实，即便是在太阳系，要回答“能看多远”也没那么简单，天文学家在不断把宇宙地平线推向时间原点的同时，也从未停止探测太阳系边际的脚步。下一个难道要叫“Farfarfarout”吗？虽然毫无创意，但一点儿也不影响我们期待。
小行星Farfarout和部分太阳系天体距离的比较（AU约为1.5亿公里） | 图源：R. Candanosa, S. Sheppard and B. Bays
在期待韦布大显身手的同时，也别忘了那个载着人类的信息孤勇前行的“旅行者一号”——迄今飞得最远的人类飞行器，哪怕明知还要至少一万年，也要努力冲出太阳系，替人类去见证太阳系边际外的景象。
旅行者1号：目前距离地球232.7亿公里 | 图源：NASA
轮值主编：杜福君
编辑：王科超
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