最近，天文学家宣布发现一个红移高达13的星系，当时的宇宙年龄约为3.3亿年。此前，保持纪录的是红移约为11的星系，它所处的宇宙的年龄约为4.2亿年。韦布将人类看到的最远星系往宇宙诞生时刻方向推进了约1亿年。这只是韦布的一个轻松的开端。我们可以预期的是，开了挂的韦布将在未来很短的时间内获得更大的突破，带领人类破解极早期宇宙的奥秘。
撰文
王善钦
年7月12日，韦布望远镜（JamesWebbSpaceTelescope，简称JWST或“韦布”）得到的第一批图像在万众瞩目的盛况中被正式公布。这批照片不仅震撼了天文圈子里的专业人士，也震撼了圈外的众多吃瓜群众。
图：年，被拼装好的韦布的主镜以及被折叠的副镜与支架。丨图源：NASA
然而，一瓜未落，一瓜又起：7月20日，哈佛大学的天文学家领衔的一个合作小组宣布，他们在韦布拍摄的图像中发现了一个破纪录的星系：它在宇宙大爆炸后大约3.3亿年之后就已形成，是至今为止被发现的最古老的星系。
如何确定天体的红移？
红移是测量天体距离与年龄的最关键依据之一。由于天体自身的运动或宇宙自身的膨胀，天体发出的光波会发生变化。如果光波变长，就是红移；如果光波变短，就是负的红移，即蓝移。
这样取名是时代所限：多年前的天文学家能够观测的波长基本上限于可见光，而可见光中红光的波长最长，蓝紫光的波长最短。因此其他颜色的可见光朝着红色一端移动，就是红移。随着观测波长范围的扩大，天文学家早已观测到红光朝着红外移动的现象。不过，根据惯例，这样的移动依然被称为“红移”，而不是“红外移”。我们只需要记住：“红移”泛指波长变长。
天体发出的光包含众多元素的原子发出的辐射。这些辐射由原子内的电子的跃迁导致，它们都有固定的波长。天体发出的部分光在前往地球的过程中，某些波段的辐射被自身大气或星际介质吸收后，强度变弱，显示为吸收线。
测量到的天体的光谱中，如果某种元素的某条吸收线的波长与实验室测出的波长不一样，就说明其产生红移或蓝移。将二者相减，再除以实验室测出的波长，就是红移或蓝移的值。
图：吸收线（图中暗线）发生红移的示意图。箭头表示谱线发生的移动。丨图源：GeorgWiora
例如，氢原子的电子从第2、3、4、5、6轨道跃迁到第1轨道（基态），发出的辐射的波长依次为.57纳米、.57纳米、97.纳米、94.纳米与93.纳米，这就是著名的“莱曼线系”的前几条。这些线也分别被称为莱曼α线、莱曼β线、莱曼γ线，等等。如果我们观测到某个天体的莱曼α线的波长成为5.7纳米，那么我们就可以将5.7减去其实验室里测出的波长.57，再除以.57，得到的数字9就是红移的值。
一些遥远星系发出的辐射在穿过众多富含氢的星系际分子云时，里面包含的莱曼α线（以及其他莱曼线）会被分子云内的氢严重吸收，使其亮度出现断崖式的下跌，导致波长等于和短于莱曼α线的辐射的亮度远低于其他波长上的亮度。这样的星系被称为“莱曼断裂星系”（Lyman-breakgalaxies，LBG）。
观测到莱曼断裂星系后，将断裂处的波长测出，再与实验室中的莱曼α线的波长（.57纳米）对比，就可以计算出其红移。实际上的操作当然要更复杂一些：通过模型拟合，得到其理论能谱，从而确定出莱曼断裂的具体波长，再计算其红移。
曾经的冠军：GN-z11
此前，天文学家在哈勃拍摄的图像中发现的最古老的星系是GN-z11。这个编号中的G代表“大型天文台宇宙起源深度巡天”（TheGreatObservatoriesOriginsDeepSurvey，GOODS），这是一个由哈勃空间望远镜（以下简称“哈勃”）与一些空间X射线望远镜及地面望远镜联合执行多波段观测的。GOODS观测南与北两个特定天区，分别用S和N表示。所以GN代表这个项目观测的北天区。
图：在GOODS北区域被观测到的GNz-11的放大图（小图）。这是由哈勃的ACS与WFC3得到的可见光与近红外线数据合成的图。丨图源：NASA,ESA,andP.Oesch(YaleUniversity)
年，耶鲁大学的天文学家PascalOesch领衔的团队结合哈勃与斯皮泽空间望远镜观测的图像，用哈勃的第三代宽场相机（WFC3）的棱栅光谱仪获得了位于GN观测区域内的这个星系的光谱。他们发现，这个星系能谱的断裂波长两侧的辐射流量比值低于0.32。[1]因此，它是一个莱曼断裂星系。
Oesch等人用莱曼断裂星系模板拟合它的能谱（见下图），确定出“莱曼断裂”处的波长约为1.47微米（纳米），得到其红移约为11.09。因为它的红移约为11，因此编号中就有了“z11”。
图：GNz-11的能谱拟合表明其红移约为11.09。暗红色线为使用“莱曼断裂星系”（LBG）模板拟合的理论上的能谱。向下的箭头表示观测的上限值。另外两个模型的拟合的品质都低得多，这排除了这个星系为低红移星系的可能性。丨图源：参考文献[1]
根据红移来计算星系的年龄，依赖于一些宇宙学参数。假设当前的哈勃常数为69.6，宇宙中物质的比例为0.，暗能量的比例为0.，那我们的宇宙的年龄为.21年（见：