科技

我们能看到最遥远的恒星有多古老?

北京时间8月6日消息,当我们望向宇宙深处时,我们看到的并不是今天的天体,而是它们在到达地球的光线发射时的样子。离我们最近的恒星是比邻星(Proxima Centauri),距离我们约4.24光年;换言之,我们现在看到的是它在4.24年前的发出的光。然而,对于更远的恒星,当我们回望它们时,还必须考虑到宇宙的膨胀。而且,这些恒星也是在很长一段时间之前形成的,比如比邻星诞生于48.5亿年前,比太阳还要古老。

在“大天文台宇宙起源深空巡天计划南天区”(GOODS-South field)的紫外光图像中可以看两个邻近宇宙的星系,其中一个正在活跃地形成新恒星(蓝色),另一个则只是普通星系。在背景中,可以看到遥远的星系及其星族。根据星系内部恒星的年龄,以及已测量到的星系距离,我们可以确定它们内部的恒星是何时形成的。

我们如何将目前已有的数据整合起来,确定宇宙中所有恒星的年龄?我们知道宇宙有138亿年的历史,而可观测到的宇宙跨度约为465亿光年。那么,这两者之间的关系是什么?当我们观察一颗恒星时,我们可以知道它与我们的距离,但是我们如何知道它的年龄呢?

这是一个很好的问题。想要回答这个问题,就需要我们把两种非常不同的信息放在一起。以下我们就来了解天文学家是怎么做的。

当我们观察非常邻近的宇宙中的恒星,比如银河系或许多邻近星系中的恒星时,我们可以对单个恒星的属性进行测量。不仅如此,其中一项属性——恒星目前与地球的距离——实际上与星光的传播时间是相同的。换句话说,像比邻星这样距离我们4.24光年的恒星,其光线在经过整整4.24年的太空旅行后才到达我们的眼睛。

然而,这两条信息只适用于相对邻近宇宙中的恒星。当观察的距离越来越远时,我们就再也无法一一分辨出恒星的各个属性,因为望远镜的视线在离开本超星系团(又称室女座超星系团,包含银河系和仙女座星系所属的本星系群)之前,其分辨率就已经逐渐降低了。此外,一旦离开本星系群,我们就必须考虑空间结构本身的扩张,不仅是光波长的延伸(导致红移)而且会导致观测对象的距离(以光年计)与该对象的光传播时间(以年计)之间的矛盾。

数字化巡天(Digitized Sky Survey)的一部分,显示了距离太阳最近的恒星——比邻星(红色中心)。比邻星距离地球4.2光年。光传播到这颗恒星的时间以年为单位,其传播距离几乎就等于它与我们的距离(以光年为单位)。

我们首先要明白的是,当我们仰望宇宙中的遥远物体时,我们其实是在回顾过去。可以肯定的是,如果你观测的是几光年,甚至几千或上万光年以外的恒星,那它们的星光大约也需要相同数量的“年”才到达你的眼睛。但如果你观测的是几千万光年以外的星系,宇宙的膨胀就开始产生巨大的影响。

原因是这样的:光一旦离开光源,就会向四面八方传播。其中,沿着视线传播的光最终会到达你的眼睛(确切来说是望远镜的镜头),但在此之前,它必须穿过你和光源之间的所有空间。这有点像在发酵的面包里放上一些葡萄干;当面包发面时,面团会膨胀,葡萄干之间也会离得更远。那些开始时距离较近的恒星,只会相对膨胀一点点;而那些开始时距离很远的恒星,在传播信号(比如光线)完成其旅程时,其距离可能会变得更加遥远。

这个简单的动画展示了在膨胀的宇宙中光是如何红移的,以及两个未被绑定的物体之间的距离是如何随时间变化的。要注意的是,两个星系开始时的距离要小于光在它们之间传播的实际距离。光的红移是由于空间的膨胀,而两个星系之间的距离比光子在它们之间交换的光传播路径要长得多。

宇宙正在膨胀的事实意味着,恒星光线到达地球的时间越长,其传播时间和我们与恒星目前的距离(以光年计)之间的矛盾就越大。科学家已经知道宇宙的组成(普通物质、暗物质和暗能量),以及如今宇宙膨胀的速度,因此,我们可以进行必要的计算来确定宇宙在其整个历史中是如何膨胀的。

这是一种非常强大的技术,因为它的变化幅度很小。在今天的宇宙中,只要受到广义相对论的支配,那么在宇宙构成及其随时间的膨胀速度之间就存在着一种明确的关系。科学家可以通过前所未有的精度来测量各种宇宙物体的距离,以及它们的红移,从而确定这种关系,并在后来的宇宙微波背景和大尺度结构测量中加以证实。

宇宙膨胀的“葡萄干面包”模型,星系(葡萄干)的相对距离会随着空间(面团)的膨胀而增大。任何两个星系的彼此距离越远,接收到的光的红移值就越大。膨胀宇宙所预测的红移-距离关系在观测中得到了证实,并与自20世纪20年代以来已知的情况相一致。

这项技术也意味着,我们在观测宇宙中的某个物体时,既可以计算出回溯的时间有多久远,也能知道这个物体现在距离我们有多远。举几个例子:

?当一个物体的光需要1亿年时间才能到达地球时,意味着我们看到的是一个目前距离我们1.01亿光年的物体;

?当一个物体的光需要10亿年才能到达地球时,这个物体现在距离我们约10.35亿光年;

?如果光需要30亿年时间才能到达地球,意味着这个物体现在距离我们约33.46亿光年;

?经过70亿年后才到达地球的光,来自一个距离我们92.8亿光年的物体;

?需要100亿年才能到达地球的光,对应着一个158亿光年之外的物体;

?需要120亿年才能到达地球的光,来自一个距离约226亿光年的物体。

?来自迄今为止被探测到的最遥远物体——GN-z11星系——的光,经过了134亿年才到达哈勃太空望远镜的镜头,现在距离我们约321亿光年。

全套数据不仅可以区分有暗物质和暗能量的宇宙与没有暗物质和暗能量的宇宙,还可以告诉我们宇宙在历史上是如何膨胀的。很明显,这条品红色实线和数据是最吻合的,表明宇宙倾向于由暗能量主导,没有空间曲率。

在测量一个遥远的物体时,我们直接测量的通常是它的亮度,以及它的光谱红移值,这就足以确定它当前的距离和光的传播时间。当我们测量来自321亿光年之外的物体的光时,我们看到的是134亿年前的光,也就是在宇宙大爆炸后4.07亿年时发出的。

然而,这还不足以告诉我们该星系中恒星的年龄;这只能告诉我们光的年龄。为了知道产生这种遥远光线的恒星的年龄,理想的做法是测量单个恒星的确切属性。我们可以对银河系中的恒星这么做。利用最高分辨率的望远镜,我们可以识别出5000万或6000万光年之外的单个恒星。不幸的是,这段距离仅仅是我们与可观测宇宙边缘之间的0.1%;超过这段距离,我们就无法再解析出单个的恒星。

标有GN-z11星系的“大天文台宇宙起源深空巡天计划北天区”(GOODS-N field),这是迄今为止发现的最遥远的星系。这个星系的光谱红移值约为11.1,表明它的光来自134亿年前,也就是大爆炸之后的4.07亿年,这相当于该星系目前与地球的距离约为320亿光年。标有GN-z11星系的“大天文台宇宙起源深空巡天计划北天区”(GOODS-N field),这是迄今为止发现的最遥远的星系。这个星系的光谱红移值约为11.1,表明它的光来自134亿年前,也就是大爆炸之后的4.07亿年,这相当于该星系目前与地球的距离约为320亿光年。

如果能够测量单个恒星,我们就可以构建出天文学中所谓的颜色-星等图(color-magnitude diagram):我们可以绘制出一颗恒星的内在亮度与其颜色/温度之间的关系。这非常有用。当恒星最初形成时,它们的颜色-星等图大致呈现为一条蜿蜒的对角线,最亮的恒星也是最蓝和最热的,而最暗的恒星则更红、更冷。最年轻的恒星群由各种不同颜色/亮度的恒星组合而成。

但随着恒星年龄的增长,最热、最蓝和最亮的恒星消耗燃料的速度最快,并开始消亡。它们最终会演化成红巨星和/或超巨星,但这意味着恒星的数量随着恒星年龄的增长而开始演变。只要我们能在疏散星团、球状星团甚至在银河系以外的邻近星系中分辨出单个的恒星时,就能精确地确定一个星族的年龄。星族是指星系中年龄、化学物质组成、空间分布与运动特性较为接近的恒星集合。当你把这些数据与已接收到的光的年龄的信息结合起来,就能最终得出恒星的年龄。

在球状星团Terzan 5内部,有许多较为古老、质量较低的恒星(微弱的红色),但也有较热、较年轻、质量较高的恒星,其中一些会产生铁和更重的元素。对于如此近距离的星团,哈勃望远镜可以分辨出其中的单个恒星,但在一定距离之外,哈勃望远镜就只能收集到汇聚的恒星光线。

然而,当我们不能再观察一个星系中的单个恒星时,又该怎么办呢?有没有什么方法可以根据观察到的光来估计星系内部恒星的年龄,即使我们不能分辨这些恒星本身?

事实上,我们可以使用一个代理来获取无法获得的信息,但是在翻译星系内部的恒星年龄时,需要牺牲一些精确性。在观测一个遥远的物体,比如一个无法分辨(或勉强分辨)的星系时,我们仍然可以测量来自其中所有恒星的总星光。我们可以将这些光分解成不同的波长,并确定这些光中有多少是紫外光、蓝光、绿光、黄光、红外光等等。

恒星的生命周期可以通过颜色-星等图(如图)来理解。随着星团的老化,它们的颜色-星等图会逐渐黯淡,使我们能够确定这个星团的年龄。最古老的球状星团,如右图所示的更古老星团,年龄至少有132亿年。恒星的生命周期可以通过颜色-星等图(如图)来理解。随着星团的老化,它们的颜色-星等图会逐渐黯淡,使我们能够确定这个星团的年龄。最古老的球状星团,如右图所示的更古老星团,年龄至少有132亿年。

换句话说,只要对一个遥远星系的颜色进行准确的测量,我们就能估计出它最近一次恒星形成的时间,从而得出其内部那些恒星的年龄。

然而,由于我们必须做出这些估计,也就引入了不确定性。一个在数亿年时间里经历多次恒星形成的星系,与一个只发生过一次重要合并,然后同时形成所有恒星的星系,可能会呈现截然不同的图像。对于蓝色极深的星系,误差可能小至几千万年,而对于缺少年轻蓝色恒星的星系,误差可能大至10亿到20亿年。

可以与今天的银河系进行比较的星系有很多,但相比我们今天看到的众多星系,与银河系相似的更年轻的星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。对于第一批星系来说,这种效应已经达到极点。我们可以通过一个星系的固有颜色来判断其恒星的年龄。可以与今天的银河系进行比较的星系有很多,但相比我们今天看到的众多星系,与银河系相似的更年轻的星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。对于第一批星系来说,这种效应已经达到极点。我们可以通过一个星系的固有颜色来判断其恒星的年龄。

科学家还可以应用其他的方法,比如测量表面亮度波动(这取决于变星,即从地球上观察其亮度有起伏变化的恒星,而变星又取决于星系内部恒星的年龄),但是大多数方法在超出一定距离后就失效了。然而,如果我们可以获得光谱学测量数据,而不是仅仅通过各种颜色通道(即通过光度)来测量亮度,那就能获得更好一点的结果。通过吸收线和发射线来测量各种原子和分子跃迁的强度,我们就可以根据最近一次恒星形成爆发以来的年龄,从而确定一个星族的位置。

这张图片显示了迄今为止发现的一些最遥远星系的光谱线确认结果,这使得天文学家能够确定我们与这些星系之间令人难以置信的遥远距离。各种特征的相对强度可以为我们提供最近恒星形成的迹象。这张图片显示了迄今为止发现的一些最遥远星系的光谱线确认结果,这使得天文学家能够确定我们与这些星系之间令人难以置信的遥远距离。各种特征的相对强度可以为我们提供最近恒星形成的迹象。

总结一下,如果想知道你所观察的恒星的年龄,你需要了解两件事:

1。 你需要知道你所看到的光线有多古老,这意味着你需要知道这个物体在膨胀的宇宙中距离地球有多远;

2。 你需要知道恒星本身的年龄,从你收集到星光的那一刻开始回溯。

当你能分辨出单个恒星时,这是一个非常简单的问题,但科学家目前只能分辨出5000万至6000万光年之外的单个恒星。相比之下,可观测到的宇宙向四面八方延伸约460亿光年,这意味着我们无法对宇宙中绝大多数的恒星使用这种方法。我们只能使用某种间接方法,比如基于星系本身颜色的年龄估计,但这会带来额外的不确定性。随着对恒星和恒星演化的更深理解,以及在不久的将来可能应用的高级仪器和望远镜,科学家有望更精确地了解那些最遥远、最古老的物体。(任天)


【责任编辑:欧阳雪】

长三角织就算力“一张网”,数智加速度破局数字时代

一键下单,算力“网购”,87.3EFlops庞大算力资源在长三角地区正像水电一样便捷可及,一场区域一体化的数字革命悄然到来。江苏省一体化算力调度监测平台于11月13日在南京正式上线,这是全国首个省市一体化算力调度监测平台。该平台已监测全省在用数据中心282个,总算力规模达87.3EFlops,其中智能算力占比约70%,成为长三角数字经济的“主力能源”。与此同时,在11月

国家加速制造业升级:到2027年基本建立现代化中试平台体系

工信部最新部署,到2027年底,我国将基本建立现代化中试平台体系,初步形成多主体参与、多领域布局的全国制造业中试服务网络。工业和信息化部办公厅日前印发《关于进一步加快制造业中试平台体系化布局和高水平建设的通知》,明确提出到2027年底,高水平中试平台力量进一步壮大,现代化中试平台体系基本建立,多主体参与、多领域布局、多层次服务的全国制造业中试服务网络初步形成。中试

788 EFLOPS 领跑全球!我国智能算力撑起 AI 创新 “加速度”

截至 2025 年 6 月底,我国智能算力规模达 788 百亿亿次 / 秒(EFLOPS),相当于全球 80 亿人用普通计算器连续运算 4000 年的总量。这一来自工业和信息化部的最新数据,与 1085 万标准机架、1680 艾字节存力共同印证:我国算力基础设施规模已稳居全球前列,正成为人工智能创新的核心引擎。千行百业 “算力赋能” 成效凸显在内蒙古伊利智慧牧场,计算机

中国6G专利全球第一,2025年互联网蓝皮书揭示数字中国新图景

一份备受全球互联网行业关注的年度发展成绩单,在乌镇峰会上如期发布。11月8日,在2025年世界互联网大会乌镇峰会上,由中国网络空间研究院牵头编撰的《中国互联网发展报告2025》和《世界互联网发展报告2025》蓝皮书正式发布。这两份已连续九年面向全球发布的权威报告,全景式展现了过去一年中国和世界互联网发展的新进展与新成就。报告中的一系列数据令人振奋:中国6G专利申请

2025科技创新与产业创新深度融合大会在长沙成功举办

11月1日,由中南大学主办的2025科技创新与产业创新深度融合大会暨中南大学校企联理事会会议在长沙开幕。大会深入贯彻党的二十届四中全会精神,落实“推动科技创新与产业创新深度融合,引领发展新质生产力”的战略部署,旨在充分发挥中南大学教育、科技、人才“三位一体”优势,搭建一个汇聚校友力量、链接产业需求与大学科创资源的高能级平台。

科技赋能健康 创新引领未来 浙江省盐业健康科技研究院挂牌成立

聚焦盐、泛盐产品、泛食品、大健康等领域,致力于开展产品研发、技术创新、产业融合、成果转化、行业研究和人才培养等业务,为浙盐集团转型发展和拓展第二增长曲线提升科研创新支撑,为助力中国盐行业高质量发展注入浙盐新动能。

万亿科创债激活硬科技赛道!5月以来资金加速涌入AI、新能源领域,政策工具创新破解融资困局

自今年5月7日债券市场“科技板”正式落地后,科技创新债券(以下简称“科创债”)发行规模呈现爆发式增长。据最新数据显示,2025年前三季度全国累计发行科创债1428只,总规模达1.58万亿元,同比激增74.94%,其中5月新政后单月发行规模最高达3513.83亿元。资金精准流向人工智能、新能源、生物医药等战略新兴领域,政策工具创新如风险分担机制、长期限产品设计等,

未来π对·智引无界——2025世界青年科学家峰会“万有引力π”在温州启幕

10月23日,2025世界青年科学家峰会官方展示交流活动——“万有引力π”在温州瓯海奥体中心正式启幕,活动将延续至10月26日。本届活动以“未来π对·智引无界”为核心理念,打造了超2万平方米沉浸式科技展示空间,集结近百家头部科技企业、200余项前沿科技成果,吸引数万名青年科学家、科技创业者及公众共同参与,掀起一场科技创新与全民科普交织的“π级盛会”。

冰城论剑数智潮!第22届中国计算机大会在哈尔滨盛大启幕,1.2万名全球精英共绘智能未来

哈尔滨国际会议中心内,一场思想与技术的盛宴正在上演,万余名计算机领域专业人士汇聚一堂,共同描绘数字智能时代的未来图景。10月23日,第22届中国计算机大会(CNCC2025)在哈尔滨华旗饭店亚冬馆拉开帷幕。这场以“数智赋能·无限可能”为主题的科技盛会,吸引了全球1.2万名计算机领域顶尖学者、产业领袖、青年才俊及国际组织代表齐聚冰城,共同探讨数字智能技术的前沿趋势与产业变革

蒙牛亮相世界乳业峰会 全面展示乳业数智化的“中国样板”

当地时间10月21日,2025世界乳业峰会于智利圣地亚哥举行。蒙牛集团作为乳业领军企业受邀参加,并在大会上分享其贯穿全产业链的数智化实践成果。其中,蒙牛宁夏“灯塔工厂”作为全球乳业首座全数智化工厂,受到与会代表的广泛关注和讨论,展现了中国乳业在全球智能制造领域的硬核实力。

广东发放“模型券”“算力券”,262亿资金撬动制造业AI革命

制造业规模约占全国1/8的广东正式出台专项方案,通过16条政策措施推动人工智能在制造业全面落地,加速“广东制造”向“广东智造”跃升。广东省人民政府办公厅近日印发《广东省人工智能赋能制造业高质量发展行动方案(2025—2027年)》(以下简称《行动方案》),围绕强化关键供给、促进应用推广、构建支撑体系、优化要素保障4大方面提出了16条具体措施。在10月22

全球六成AI专利花落中国!数字核心科技突破激活新质生产力引擎

当人形机器人挥出精准拳击动作与观众互动,当农业大模型为千万亩耕地提供智能种植方案,当工业互联网平台赋能超3.5万家智能工厂——这些充满未来感的场景,正由中国人工智能领域全球领先的专利布局转化为现实生产力。全球六成AI创新源自中国国家数据局最新数据显示,截至2025年6月,我国人工智能专利数量占全球总量的60%,以157.6万件申请量稳居世界首位。联合国《世界知识产

湖北打造AI产业新高地,3500亿元目标背后有何布局?

武汉一场人工智能领域的盛会,揭示湖北在AI产业赛道上的雄心与蓝图。湖北省人工智能政策宣贯暨产业供需对接培训活动10月19日在武汉成功举办。活动以“政策赋能产业,供需激活生态”为核心,汇集政府、高校、企业及金融机构等多方力量,为湖北人工智能产业高质量发展注入新动能。湖北省经信厅党组书记、厅长朱万奎在致辞中指出,人工智能是引领新一轮科技革命和产业变

AI悄然重塑城市运行:从车间到街角的生活之变

走进广东佛山的海天调味品工厂,AI“豆脸识别”技术正以每秒2.5万亿颗的速度对原料进行精准检测;而在新疆的社保大厅,RPA机器人仅用3分钟就能完成失业保险业务的全程办理。这些看似不相干的场景,正勾勒出人工智能渗透城市每个角落的新图景。从产业车间到街头巷尾,AI不再只是科技论坛的热词,而是悄然改变城市运转方式的底层力量。智能制造:工厂的自我革命制造业作

构建新大陆贸易金融体系:数字人民币支点与宁波跨境结算科技模式创新的场景革命

中国构建自主可控贸易新体系的战略蓝图,正从宏观布局迈向微观落地。这一战略的核心,在于通过产业链闭环、货币结算网络、替代性贸易基础设施的三重布局,实现从“融入全球化”到“塑造全球化”的根本性转变。中欧班列与“数字丝绸之路”作为战略双翼,已初具规模。而近期上海数字人民币国际运营中心的落地运营,则为这一体系注入了决定性的“金融血液”,其中,宁波跨境结算科技场景的创新模式,正成为将

“终极能源”商业化不再遥远 中国“人造太阳”迈向发电倒计时

曾经只存在于科幻小说中的“人造太阳”,正悄然从实验室走向现实,一系列突破性进展标志着聚变能研发已进入决定性新阶段。近日,中国紧凑型聚变能实验装置(BEST)首个关键部件杜瓦底座成功安装就位,标志着项目主体工程建设步入新阶段。这个国内聚变领域最大的真空部件,将承载总重约6700吨的BEST主机。与此同时,在四川成都,国际原子能机构聚变能研究与培训协作中心正式授牌,这

中国的北斗 世界的北斗

第四届北斗规模应用国际峰会在湖南株洲举行,全面展示了北斗产业发展的最新成就与未来图景。从深空到地面,从产业链到生活圈,北斗正快速融入中国式现代化的发展进程。亮眼数据折射出产业的坚实跃升,创新成果展示了技术的勃勃生机,国际合作描绘着开放共享的新图景——今天的北斗,不仅是定位导航的“中国名片”,更是推动经济发展、改善民生、促进合作的全球公共产品。NO.01产业链条日益完整峰会期间,《

中国创新能力跃升至全球第十

从世界工厂到“世界脑厂”,中国科技创新能力的历史性跨越正在重塑全球创新格局。5年来,中国坚持把创新摆在国家发展全局的突出位置,科技事业取得历史性成就。国家综合创新能力排名从2020年的第14位提升至2024年的第10位,成为近十余年来进步最快的国家。这一飞跃使中国成为唯一进入全球创新能力前十的中等收入国家。中国科学技术发展战略研究院发布的《国家创新

中国人工智能产业规模突破9000亿元,完整生态链引领智能原生新世界

人工智能正从技术实验大步迈向行业实践,成为中国经济发展新质生产力的重要引擎。“经测算,2024年我国人工智能产业规模已超9000亿元,同比增长24%。”在日前举行的2025人工智能产业及赋能新型工业化大会上,中国信息通信研究院副总工程师王爱华发布了这一令人振奋的数据。这项测算成果描绘出中国人工智能产业的蓬勃生态:截至2025年9月,我国人工智能企业数量超
返回
顶部