自2022年開始向地球傳回數據以來，占士·韋伯太空望遠鏡（JWST）對天文學產生了巨大影響，其最革命性的成就之一是觀測到了一些最遙遠的星系。然而，由於光不是瞬間傳播的——而是在真空中以每秒約30萬公裏的速度移動——我們看到的這些星系並不是它們今天的樣子，而是數十億年前的樣子。
我們的宇宙估計已有138億年的歷史。因此，我們應該假設我們能看到的最遙遠的星系不超過138億光年（光年是光在一年內傳播的距離）。這一點應該是某種「宇宙視界」——超出這個範圍，任何望遠鏡都不應該能看到。而且，由於沒有任何東西能以超過光速的速度穿越太空，這意味著沒有任何一個距離超過138億光年的星系能夠影響地球，對嗎？
其實，事情並沒有那麽簡單。「宇宙視界是一個人可能檢索資訊的最大距離，」亞利桑那大學天文學家、JWST高級深空星系調查（JADES）團隊成員傑克·赫爾頓告訴Space.com。
「有幾種不同的宇宙視界，」赫爾頓繼續說道，「它們有不同的定義，並依賴於各種宇宙學量。這裏最相關的是宇宙視界，這是光在宇宙年齡內可能傳播到我們的最大距離。這定義了可觀測宇宙的邊緣。」2024年3月，JADES科學家透露，這台強大的望遠鏡發現了JADES-GS-z14-0，這是人類有史以來見過的最遙遠和最早的星系。然而，矛盾的是，JADES-GS-z14-0位於約338億光年之外。我們怎麽能看到一個如此遙遠的天體發出的光，而宇宙的年齡還不足以讓它到達我們？JADES-GS-z14-0位於338億光年之外，難道不意味著我們看到的是338億年前的樣子，這肯定會挑戰對宇宙年齡的估計嗎？
不是的。這再次證明宇宙有一種顛覆合理和邏輯結論的方式。
「像JADES-GS-z14-0這樣遙遠的星系怎麽可能被觀測到，因為它距離我們超過138億光年，它的光似乎需要比宇宙年齡更長的時間才能到達我們？」赫爾頓反問道。「答案是宇宙的膨脹。」如果宇宙靜止不動，那麽來自338億光年外的星系的光需要338億年才能到達我們，僅此而已。但是，在20世紀初，艾德溫·哈伯發現遙遠的星系似乎在彼此遠離，距離越遠，它們移動得越快。換句話說，宇宙不是靜止的；它在膨脹。
這一點在1998年變得更加復雜，當時20世紀即將結束，兩組天文學家觀察到，宇宙不僅在膨脹，而且這種膨脹還在加速。負責這一現象的力量是一個謎，但它被賦予了「暗能量」的臨時名稱。在宇宙138億年的歷史中，有兩個主要且截然不同的膨脹時期。第一個是現在通常稱為「大爆炸」的初始快速宇宙膨脹時期。
這個膨脹時期使宇宙的體積增加了10^26倍（10後面跟著25個零）。這相當於你的指甲從每秒生長1納米突然變成每秒生長10.6光年（62萬億英裏）。此時，宇宙由能量主導，這一時期被稱為能量主導時期。
隨後是大爆炸後47,000年開始的物質主導時期。最終，宇宙的膨脹使宇宙冷卻到足以讓質子從誇克和膠子中形成，然後質子與電子結合形成第一個氫原子，形成了第一批恒星和星系。在此期間，由大爆炸驅動的宇宙膨脹幾乎停止。
當宇宙剛剛不到100億年時，物質主導時期出人意料地結束了。此時，宇宙突然再次迅速膨脹。而且，這種膨脹越來越快，甚至今天仍在加速。宇宙的第三個重要時期被稱為暗能量主導時期。這是我們目前所處的時期。由於這些宇宙膨脹時期，來自JADES-GS-z14-0的光實際上只在135億年內到達JWST和地球，盡管其源頭現在比135億光年遠得多。這意味著JWST看到的是大爆炸後3億年的JADES-GS-z14-0。如果沒有宇宙的膨脹，JADES-GS-z14-0仍然會在135億光年之外，盡管它仍會經歷較小的局部運動，這可能會使它與附近的星系更接近或更遠。但這種星系運動遠不及宇宙膨脹引起的運動。
根據赫爾頓的說法，宇宙視界或「光子視界」是一個邊界約為461億光年的球體，這是由宇宙膨脹決定的。這是我們不應該能夠「看到」星系的實際視界。星系JADES-GS-z14-0確實在該視界內。
為了避免混淆，天文學家實際上使用了兩種距離測量尺度：一種是消除宇宙膨脹因素的共動距離，另一種是包括宇宙膨脹的實際距離。這意味著JADES-GS-z14-0的共動距離為135億光年，而其實際距離為338億光年。
然而，JADES-GS-z14-0和其他遙遠的古老星系並不總是可見的。JWST能看到JADES-GS-z14-0的事實意味著它曾經與地球和我們的本地宇宙「因果相連」。換句話說，JADES-GS-z14-0發出的訊號可以到達銀河系，因此，這個存在於時間黎明的星系中的「原因」可以在現代宇宙時期對我們的星系產生「影響」。
「任何可觀測的星系都必須在粒子視界內，並且在宇宙歷史的某個時刻與我們有因果聯系，」赫爾頓說。
然而，現在情況並非如此。像JADES-GS-z14-0和其他JADES發現的星系現在距離我們如此遙遠，並且由於暗能量的作用，它們迅速遠離我們，以至於今天從它們發出的任何訊號都無法到達我們。這是因為光子視界以光速遠離我們，但對於真正遙遠的天體，銀河系與這些星系之間的空間膨脹速度超過了光速。這似乎不合情理，因為艾拔·愛因斯坦的狹義相對論將光速設定為普遍的速度限制。然而，這是一條適用於有質素的物體在空間中移動的規則，而不是適用於空間本身的規則。在地球和人類消失後的大約2萬億年後，宇宙的膨脹意味著，無論在銀河系中取代我們的是什麽智能物種（如果有的話），都將無法看到存在於我們本地群體之外的任何星系——其直徑約為1000萬光年。
這是一個令人清醒的想法，這意味著人類生活在宇宙歷史上的一個獨特時刻，在這個時刻，最遙遠的星系仍在我們的視野之內。我們能夠比任何可能存在的智能生命更了解宇宙及其起源。
因此，占士·韋伯太空望遠鏡並不能看到宇宙視界之外的星系，但它確實能夠看到非常接近這個視界的天體。宇宙的膨脹和暗能量的存在使得這些極其遙遠的星系的光能夠在宇宙歷史的某個時間點到達我們，使我們能夠一窺宇宙的早期歷史。透過對這些遙遠星系的觀測，我們不僅能了解宇宙的起源和演化，還能進一步探究宇宙的膨脹和暗能量的本質，為未來的宇宙學研究提供重要的線索和數據。
