讓我們跟隨這史上最強(qiáng)望遠(yuǎn)鏡的腳步，一起回到宇宙的（那個(gè)）黑暗時(shí)代

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哈勃拍攝了它所能看到的最古老星系的照片——在這里看到了——但詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡可以追溯到更遠(yuǎn)的時(shí)間。 （圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局）

有人稱(chēng) NASA 的詹姆斯韋伯（James Webb）太空望遠(yuǎn)鏡是“吞噬天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡”。 它是有史以來(lái)最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡，也是突破人類(lèi)的工程學(xué)極限的復(fù)雜機(jī)械造物。 2021 年 12 月 18 日，經(jīng)過(guò)多年的延誤和數(shù)十億美元的成本超支，該望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃發(fā)射進(jìn)入軌道并迎領(lǐng)下一個(gè)天文學(xué)時(shí)代。

我是一名天文學(xué)家，專(zhuān)攻觀測(cè)宇宙學(xué)。 我研究遙遠(yuǎn)的星系已經(jīng) 30 年了。 關(guān)于宇宙的一些最大的懸而未決的問(wèn)題與大爆炸之后的早期宇宙有關(guān)。 第一個(gè)恒星和星系是什么時(shí)候形成的？ 哪個(gè)先出現(xiàn)，為什么？ 我非常興奮天文學(xué)家可能很快就會(huì)揭開(kāi)星系如何開(kāi)始的故事，因?yàn)檎材匪鬼f伯（James Webb）太空望遠(yuǎn)鏡是專(zhuān)門(mén)為回答這些問(wèn)題而建造的。

宇宙的黑暗時(shí)期

很多證據(jù)表明宇宙始于138億年前的大爆炸，之后宇宙進(jìn)入了一個(gè)極端高溫高密度的狀態(tài)。在大爆炸之后，宇宙立即開(kāi)始膨脹并冷卻下來(lái)。大爆炸一秒之后，宇宙的直徑膨脹到了百萬(wàn)億英里，平均溫度是180億華氏度（100億攝氏度）。大爆炸后約40萬(wàn)年，宇宙直徑達(dá)到了一千萬(wàn)光年，溫度下降到了5500華氏度（3000攝氏度）。如果這個(gè)時(shí)候有人觀察宇宙，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙就像一個(gè)巨大的保溫?zé)粢粯影l(fā)出暗紅的光。

在這段期間，宇宙就像一鍋均勻的湯，充斥著高能粒子、輻射、氫和氦。宇宙沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)可言。隨著宇宙變得越來(lái)越大，溫度越來(lái)越低，這鍋湯逐漸變得越來(lái)越稀薄，宇宙變得越來(lái)越黑暗。這就是科學(xué)家所說(shuō)的宇宙的“黑暗時(shí)期”。

黑暗時(shí)期的這鍋湯并不是完全均勻的，所以在引力的作用下，小區(qū)域內(nèi)的氣體開(kāi)始互相聚集，密度越來(lái)越大。平滑的宇宙變得充滿(mǎn)了小氣體團(tuán)，這些團(tuán)塊就是最終形成恒星，星系，以及宇宙中其他所有東西的種子。

盡管在黑暗時(shí)期宇宙中看不到什么東西，但它仍然是宇宙演化史上的一個(gè)重要的階段。

宇宙早期的光到達(dá)地球時(shí)是紅外光（比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)）。（圖源：Inductiveload/NASA via Wikimedia Commons, CC BY-SA）

尋找第一道光

在引力的作用下，第一批恒星和星系形成并開(kāi)始發(fā)出第一道光線的時(shí)候，黑暗時(shí)期就結(jié)束了。天文學(xué)家并不清楚第一道光是什么時(shí)候產(chǎn)生的，最好的猜測(cè)是在大爆炸的幾億年后。他們同樣不知道到底是恒星首先形成還是星系首先形成。

基于當(dāng)前由暗物質(zhì)主導(dǎo)的在引力作用下宇宙中結(jié)構(gòu)形成的理論，像恒星和星團(tuán)這樣的小天體可能首先形成，然后由它們形成矮星系，再形成像銀河系這樣的大一點(diǎn)的星系。與現(xiàn)在的恒星相比，宇宙中的第一批恒星是特殊的，它們的亮度是現(xiàn)在恒星的百萬(wàn)倍，但生存時(shí)間極短。它們又亮又熱然后死去，留下能達(dá)到百倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這些黑洞有可能就成為了星系形成的種子。

天文學(xué)家非常希望能研究這個(gè)神奇又重要的宇宙時(shí)期，但探測(cè)第一道光非常地具有挑戰(zhàn)性。與當(dāng)今大質(zhì)量明亮的星系相比，第一批星系非常小，而且由于宇宙的膨脹，它們現(xiàn)在遠(yuǎn)在百億光年之外。此外，第一批恒星被它們形成時(shí)剩下的氣體包圍，這些氣體就像霧一樣吸收了大部分的光，光輻射需要上億年的時(shí)間才能從這片迷霧中逃出。當(dāng)這些光到達(dá)地球時(shí)，它們已經(jīng)非常暗弱了。

但挑戰(zhàn)并不僅僅只有這些。

隨著宇宙膨脹，穿梭在其中的光的波長(zhǎng)被持續(xù)拉長(zhǎng)。這就是紅移效應(yīng)，使波長(zhǎng)較短的光（比如藍(lán)光）變成波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光（比如紅光或者紅外光）。用一個(gè)不完美的類(lèi)比來(lái)說(shuō)，這類(lèi)似于當(dāng)一輛車(chē)從你身邊開(kāi)過(guò)，車(chē)發(fā)出的聲音的音調(diào)就會(huì)下降。

當(dāng)130億年前從早期恒星或早期星系發(fā)出的光到達(dá)地球的時(shí)候，它的波長(zhǎng)被宇宙膨脹拉長(zhǎng)了10倍，變成了紅外光，意味著這些光的波長(zhǎng)比紅光還要長(zhǎng)。如果要找到第一道光，就必須在紅外范圍尋找。

如同時(shí)間機(jī)器的望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡就像時(shí)間機(jī)器，如果一個(gè)天體離我們一萬(wàn)光年遠(yuǎn)，這說(shuō)明它發(fā)出的光需要一萬(wàn)年才能到達(dá)地球。天文學(xué)家向宇宙深處看的越遠(yuǎn)，他們向過(guò)去看的時(shí)間就越遠(yuǎn)。

詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡是特地為探測(cè)宇宙中古老的星系設(shè)計(jì)的（圖源：NASA/Desiree Stover, CC BY）

工程師們特地為詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡做了優(yōu)化，使其能探測(cè)到最早的恒星或星系發(fā)出的暗淡的紅外光。與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡相比，詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡的相機(jī)視場(chǎng)比它大15倍，集光能力比它高6倍，傳感器也調(diào)節(jié)成了對(duì)紅外光更敏感。

觀測(cè)的策略是，長(zhǎng)時(shí)間盯著一片天區(qū)向深處觀測(cè)，盡可能地多收集能看到的最遠(yuǎn)最古老的星系發(fā)出的光。有了這樣的數(shù)據(jù)，也許可以知道黑暗時(shí)期是在何時(shí)以何種方式結(jié)束的。但也會(huì)有其他一些重要的發(fā)現(xiàn)，比如幫助人們理解暗物質(zhì)（占宇宙總質(zhì)量80%的神秘物質(zhì)）的本質(zhì)。

詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目是美國(guó)航天局嘗試過(guò)的技術(shù)難度最大的項(xiàng)目。但在我看來(lái)，它幫助回答的科學(xué)問(wèn)題使我們付出的每一分努力都是值得的。我和其他的天文學(xué)家們都在激動(dòng)地等待著觀測(cè)數(shù)據(jù)在2022年的某個(gè)時(shí)候開(kāi)始傳回。

BY：?Chris Impey

FY：Astronomical volunteer team

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