337亿光年！发现已知最远星系，为何它的光只用135亿年就到地球？

　　根据《天体物理学杂志》和《皇家天文学会月报》刊载的两篇新研究论文[1][2]，天文学家发现了迄今为止已知最远的星系，它被称为HD1，目前距离地球高达337亿光年，它发出的光用了135亿年才来到地球上。
　　相对论表明，光速是宇宙最快的速度，而且是恒定的速度，光在一年的时间内所走过的距离为1光年。在过去135亿年里，最远也只能走135亿光年才对，但为什么这个星系目前的距离却在337亿光年之外？速度竟是光速的2.5倍，难道相对论出错了吗？
　　此前，已知最远的星系是目前位于324亿光年的GN-z11，它的红移值z可达11，这个星系发出的光耗时134亿年才被我们接收到。而这一次发现的HD1星系，它的红移值高达13，这意味着它的光行距离达到了135亿光年，也就是说这个星系发出的光用了135亿年的时间才到达地球。
　　这个星系并非由哈勃发现的，而是通过昴星团望远镜、VISTA望远镜、英国红外望远镜和斯皮策太空望远镜累计50天的观测数据发现的。这些观测数据中包含70万个天体，HD1就是在其中找到的。
　　该星系的发现者、研究的第一作者、东京大学天文学家Harikane Yuichi表示：＂HD1的红色与135亿光年（光行距离）之外的一个星系特征惊人地吻合，这让我发现它时起了鸡皮疙瘩。＂
　　HD1不但是已知最远的星系，也是最古老、最原始的星系，因为光速是有限的，只要看得距离越远，回溯的时间也就越早。我们现在看到的是HD1星系在135亿年前的样子，那时距离138亿年前的宇宙大爆炸才过去了3亿年。
　　HD1几乎是目前在运行的天文望远镜所能观测到的最远极限，它能被观测到的主要原因是本身足够明亮，尤其是在紫外波段。至于这个星系为何如此明亮，天文学家提出了两种解释。
　　一种解释这可能是一个类星体，也就是该星系中心存在一个超大质量黑洞，它吞噬了周围大量的物质，向外爆发出超强的电磁辐射。据估计，这个黑洞的质量高达太阳的1亿倍（银河系中心的为），在仅诞生3亿年的早期宇宙中，很难想象会形成如此之大的黑洞。
　　另一种解释是HD1可能是一个星爆星系。由于在早期宇宙中，这个星系刚形成不久，其中存在大量的气体云，它们大量坍缩形成了新的恒星。对于这个星系来说，每年需要诞生100颗与太阳质量相当的新恒星，比预期高出10倍。
　　HD1存在于早期的宇宙中，这是人类研究宇宙最早一批星系的重要对象。等到詹姆斯·韦伯（JWST）太空望远镜完全调试好了之后，它就能以更高地精度观测HD1，甚至还能发现比HD1更加遥远、更加古老的星系。
　　最后，还有个问题，HD1星系真的在超光速运动吗？
　　在135亿年前，HD1星系与原始银河系相距大约24亿光年。按照距离来看，HD1星系发出的光只需24亿年就能传到银河系中。然而，宇宙不是静态的，整个空间都在快速膨胀。
　　由于空间膨胀，两个星系之间被不断互相拉开，距离变得越来越远，HD1星系发出的光用24亿年的时间根本到达不了银河系。由于距离变得越来越远，HD1星系发出的光其实总共走了135亿光年的距离，也就是耗时135亿年的时间，才终于追上银河系。
　　在过去135亿年里，HD1星系随着空间膨胀还在进一步远去，它与银河系的距离从当年的24亿光年，到现在已经拉开到337亿光年。这种超光速现象其实是由两个星系之间的空间结构不断扩张造成的，星系本身在空间中的运动速度并没有超光速，所以相对论没有出错。
　　我们平时所说的可观测宇宙半径为465亿光年，这其实是138亿年前宇宙发出的第一缕光（能够来到地球上）最初所在位置（最后散射面）目前与我们相距465亿光年。实际的宇宙范围要比465亿光年大得多，宇宙还有很大一部分的光还没来得及到达地球，所以我们目前看不到。
　　未来，来自不可观测宇宙的光将会逐渐到达地球，可观测宇宙的范围还会进一步变大。但由于空间正在超光速膨胀，可观测宇宙的范围不会无限变大，我们在未来最远只能观测到大约610亿光年。也就是说，我们很可能永远也无法看到整个宇宙的面貌。
　　参考文献
　　[1] Yuichi Harikane, Akio K. Inoue, Ken Mawatari, et al. A Search for H-Dropout Lyman Break Galaxies at z~12-16, The Astrophysical Journal, 2022, arXiv: 2112.09141.
　　[2] Fabio Pacucci, Pratika Dayal, Yuichi Harikane, et al. Are the Newly-Discovered z 13 Drop-out Sources Starburst Galaxies or Quasars?, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022, arXiv: 2201.00823.