史上最强望远镜来临 宇宙的黑暗时代将被探索 答案很快被揭晓

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让我们跟随这史上最强望远镜的脚步,一起回到宇宙的(那个)黑暗时代

哈勃拍摄了它所能看到的最古老星系的照片――在这里看到了――但詹姆斯韦伯太空望远镜可以追溯到更远的时间。 (图片来源:美国宇航局)

有人称 NASA 的詹姆斯韦伯(James Webb)太空望远镜是“吞噬天文学的望远镜”。 它是有史以来最强大的太空望远镜,也是突破人类的工程学极限的复杂机械造物。 2021 年 12 月 18 日,经过多年的延误和数十亿美元的成本超支,该望远镜计划发射进入轨道并迎领下一个天文学时代。

我是一名天文学家,专攻观测宇宙学。 我研究遥远的星系已经 30 年了。 关于宇宙的一些最大的悬而未决的问题与大爆炸之后的早期宇宙有关。 第一个恒星和星系是什么时候形成的? 哪个先出现,为什么? 我非常兴奋天文学家可能很快就会揭开星系如何开始的故事,因为詹姆斯韦伯(James Webb)太空望远镜是专门为回答这些问题而建造的。

宇宙的黑暗时期

很多证据表明宇宙始于138亿年前的大爆炸,之后宇宙进入了一个极端高温高密度的状态。在大爆炸之后,宇宙立即开始膨胀并冷却下来。大爆炸一秒之后,宇宙的直径膨胀到了百万亿英里,平均温度是180亿华氏度(100亿摄氏度)。大爆炸后约40万年,宇宙直径达到了一千万光年,温度下降到了5500华氏度(3000摄氏度)。如果这个时候有人观察宇宙,会发现宇宙就像一个巨大的保温灯一样发出暗红的光。

在这段期间,宇宙就像一锅均匀的汤,充斥着高能粒子、辐射、氢和氦。宇宙没有任何结构可言。随着宇宙变得越来越大,温度越来越低,这锅汤逐渐变得越来越稀薄,宇宙变得越来越黑暗。这就是科学家所说的宇宙的“黑暗时期”。

黑暗时期的这锅汤并不是完全均匀的,所以在引力的作用下,小区域内的气体开始互相聚集,密度越来越大。平滑的宇宙变得充满了小气体团,这些团块就是最终形成恒星,星系,以及宇宙中其他所有东西的种子。

尽管在黑暗时期宇宙中看不到什么东西,但它仍然是宇宙演化史上的一个重要的阶段。

宇宙早期的光到达地球时是红外光(比红光波长更长)。(图源:Inductiveload/NASA via Wikimedia Commons, CC BY-SA)

寻找第一道光

在引力的作用下,第一批恒星和星系形成并开始发出第一道光线的时候,黑暗时期就结束了。天文学家并不清楚第一道光是什么时候产生的,最好的猜测是在大爆炸的几亿年后。他们同样不知道到底是恒星首先形成还是星系首先形成。

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基于当前由暗物质主导的在引力作用下宇宙中结构形成的理论,像恒星和星团这样的小天体可能首先形成,然后由它们形成矮星系,再形成像银河系这样的大一点的星系。与现在的恒星相比,宇宙中的第一批恒星是特殊的,它们的亮度是现在恒星的百万倍,但生存时间极短。它们又亮又热然后死去,留下能达到百倍太阳质量的黑洞,这些黑洞有可能就成为了星系形成的种子。

天文学家非常希望能研究这个神奇又重要的宇宙时期,但探测第一道光非常地具有挑战性。与当今大质量明亮的星系相比,第一批星系非常小,而且由于宇宙的膨胀,它们现在远在百亿光年之外。此外,第一批恒星被它们形成时剩下的气体包围,这些气体就像雾一样吸收了大部分的光,光辐射需要上亿年的时间才能从这片迷雾中逃出。当这些光到达地球时,它们已经非常暗弱了。

但挑战并不仅仅只有这些。

随着宇宙膨胀,穿梭在其中的光的波长被持续拉长。这就是红移效应,使波长较短的光(比如蓝光)变成波长较长的光(比如红光或者红外光)。用一个不完美的类比来说,这类似于当一辆车从你身边开过,车发出的声音的音调就会下降。

当130亿年前从早期恒星或早期星系发出的光到达地球的时候,它的波长被宇宙膨胀拉长了10倍,变成了红外光,意味着这些光的波长比红光还要长。如果要找到第一道光,就必须在红外范围寻找。

如同时间机器的望远镜

望远镜就像时间机器,如果一个天体离我们一万光年远,这说明它发出的光需要一万年才能到达地球。天文学家向宇宙深处看的越远,他们向过去看的时间就越远。

詹姆斯韦伯望远镜是特地为探测宇宙中古老的星系设计的(图源:NASA/Desiree Stover, CC BY)

工程师们特地为詹姆斯韦伯望远镜做了优化,使其能探测到最早的恒星或星系发出的暗淡的红外光。与哈勃太空望远镜相比,詹姆斯韦伯望远镜的相机视场比它大15倍,集光能力比它高6倍,传感器也调节成了对红外光更敏感。

观测的策略是,长时间盯着一片天区向深处观测,尽可能地多收集能看到的最远最古老的星系发出的光。有了这样的数据,也许可以知道黑暗时期是在何时以何种方式结束的。但也会有其他一些重要的发现,比如帮助人们理解暗物质(占宇宙总质量80%的神秘物质)的本质。

詹姆斯 韦伯太空望远镜项目是美国航天局尝试过的技术难度最大的项目。但在我看来,它帮助回答的科学问题使我们付出的每一分努力都是值得的。我和其他的天文学家们都在激动地等待着观测数据在2022年的某个时候开始传回。

BY: Chris Impey

FY:Astronomical volunteer team

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