“迟到”的光让我们可以一睹宇宙过去的样子

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近日，我国龙虾眼X射线探测卫星成功获得一批天体的X射线实测图像和能谱，这是国际上首次获得并公开发布的宽视场X射线聚焦成像天图。该望远镜上的微孔龙虾眼镜片以及CMOS（一种图像感光元件）探测器均为中国自主研发。
可事实上，即便凭借如此厉害的“龙虾眼”，科学家通过望远镜看到的也只是天体过去发出的光。
近如台灯、远如星辰，所有我们看到的光都需要一定时间才能照进人眼，也正因如此，我们有机会可以一睹宇宙过去的样子，探寻宇宙演化历程。
为何我们难以看清遥远星系的光
宇宙中最古老天体的光，传播时间也最久，那么为何我们仍然难以发现它们？
“根据哈勃定律，我们所处的宇宙一直在膨胀，这些遥远的星系都在以一个特定的速度远离我们，这个速度和星系到地球的距离成正比。因此，星系在1亿年前发出的光，传播到地球经过的‘路程’，就不止1亿光年。而距离我们越远的光源，光芒就会越黯淡，因此我们很难在茫茫宇宙中看清这些‘微光’。”北京大学科维理天文与天体物理研究所博士傅煜铭说。
此外，遥远星系发出的光到达地球的路途十分漫长，其间要经历很多“艰难险阻”，例如光可能会被传播过程中所遇到的尘埃和气体等物质吸收。同时，对遥远星系的探测还会受制于仪器设备的灵敏度。“如果光被仪器捕捉到时，它的信号和噪声水平差异不大，我们就很难把信号从噪声里面分辨出来，也就无法实现探测。”傅煜铭说。
中国科学院国家天文台研究员苟利军表示，来自遥远星系的光可能会在辐射强度、颜色与性质等方面发生变化，“例如一个天体的光可以向四面八方进行传播，但光的接收面积是有限的。也就是说，距离变远，光的辐射强度在单位面积上会变小；距离变近，光的辐射强度会在单位面积上变大。”
由于宇宙在不断膨胀，所以越是早期宇宙发出的光，其对应的光谱线波长就会被宇宙膨胀拉得越长，这一现象被称为“红移”，天文学家经常用红移来标记宇宙学意义上的“时间”。
此外，苟利军还表示，对于人类而言，通过望远镜捕捉到的最古老的光是有极限的，这个极限所对应的宇宙年龄是38万年。也就是说，我们最早可以看到宇宙在38万岁时发出的光。
当然，以目前天文望远镜的观测能力，还远达不到这个极限。
“红移1100附近，是宇宙微波背景辐射发出的时间，其对应的宇宙年龄是38万年。在这个时间点前，宇宙是一团热的等离子体，光线的组成要素——光子与自由电子、质子发生散射，所以不能自由穿越宇宙；在质子和电子结合形成中性氢原子之后，光子也与物质退耦合，光子能穿越的距离大大变长，宇宙变得透明，我们才能看到天体发出的光。”傅煜铭说。
多信使天文学研究助力揭示宇宙奥秘
“对于人类而言，虽然我们无法看到同一星系从形成至今的演化历程，但我们可以看到很多星系在不同阶段的发展状态，这些对于更好地理解我们所处的银河系有着重大意义。”傅煜铭说。
而这些，需要借助更加灵敏的天文望远镜来实现。
自1609年伽利略利用自制望远镜仰望星空以来，400多年的宇宙探索史中凝结着全人类的努力。1990年，哈勃空间望远镜成功发射，依托于它产生的海量科研成果刷新了全人类对宇宙的认知；2016年，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜建成，有望接收到宇宙诞生之初天体发出的电磁信号；2021年哈勃空间望远镜的“继任者”詹姆斯·韦布望远镜顺利升空，其高出哈勃空间望远镜百倍的灵敏度将帮助人类探寻宇宙的更深处；计划于2023年发射的我国大型巡天空间望远镜，将与中国空间站共轨飞行，带来全景式宇宙高清图……
“除了光以外，我们还可以通过多种方式研究宇宙，中微子、引力波与宇宙线也都携带着天体信息，是宇宙天体派出的‘信使’。”苟利军说，这种结合多种渠道研究宇宙的方式，就是多信使天文学研究。通过中微子与引力波，我们可以了解天体的内部活动；通过宇宙高能粒子，我们可以探究宇宙早期的物理现象……
随着更多更强大天文观测设备的建成，人类将一步步揭示宇宙演化的奥秘，了解我们从何而来，又将去往何处。