天文學(xué)家和工程師把望遠鏡設(shè)計成“時間旅行者”，因為物體距離越遠，其光線到達地球的時間就越長，回顧遙遠的過去是美國宇航局（NASA）未來將推出詹姆斯·韋伯太空望遠鏡專門收集紅外光的原因之一：

這些更長的波長最初是由恒星和星系在130億年前以紫外光的形式發(fā)射出來，當(dāng)它們通過膨脹的宇宙向我們移動時，已經(jīng)延伸或紅移成了紅外光。

盡管許多其他天文臺，包括美國宇航局的哈勃太空望遠鏡，之前都曾通過凝視天空小區(qū)域大量時間來創(chuàng)建“深場”，但由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校史蒂文·L·芬克爾斯坦領(lǐng)導(dǎo)的宇宙演化早期科學(xué)(CEERS)研究將是韋伯太空望遠鏡的第一次，研究團隊將花費60多個小時將望遠鏡對準一片被稱為加長格羅斯地帶的天空，這也是哈勃太空望遠鏡近紅外星系外深層遺產(chǎn)調(diào)查(CANDELS)的一部分。

有了韋伯太空望遠鏡，能對更靠近大爆炸的星系進行第一次觀測，因為用任何其他望遠鏡都絕對不可能進行這項研究，而韋伯太空望遠鏡能夠在過去難以在地面或太空中觀測到的波長上，將做一些了不起的事情。亞利桑那州國家科學(xué)基金會國家光學(xué)-紅外天文學(xué)研究實驗室的馬克·迪金森曾表示：同時也期待著未來韋伯太空望遠鏡的觀測。像哈勃深場這樣的研究已經(jīng)使天文學(xué)家，能夠繪制出宇宙恒星在星系中形成的歷史。

超越哈勃望遠鏡

哈勃深場從宇宙大爆炸開始的5億年內(nèi)一直到現(xiàn)在，都是令人驚訝的細節(jié)，有了CEERS，韋伯太空望遠鏡將看得更遠，為這些研究增加新的數(shù)據(jù)。早期的宇宙是什么樣子？當(dāng)然有很多數(shù)據(jù)點，但還不足以對其狀況進行詳盡的普查。此外，天文學(xué)家的知識和假設(shè)經(jīng)常更新，幾乎經(jīng)常在發(fā)現(xiàn)新東西來完善或填補或推翻之前的理論。紐約羅切斯特理工學(xué)院的CEERS研究聯(lián)合研究員Jeyhan Kartaltepe說：

每次我們看得更遠，發(fā)現(xiàn)星系的時間都比想象的要早。早期宇宙中的條件必須適合星系的形成，它們形成并迅速變大，質(zhì)量變得非?？?。當(dāng)時的宇宙更加“緊湊”，這意味著恒星和星系的形成效率可能更高。一些模型預(yù)測將在比哈勃望遠鏡看到更遠更早的時代發(fā)現(xiàn)50個星系，但另一些模型預(yù)測我們只會發(fā)現(xiàn)少數(shù)幾個。在這兩種情況下，數(shù)據(jù)都將幫助我們限制早期宇宙中星系的形成。研究人員希望識別大量遙遠的天體，包括宇宙中最遙遠的星系。

早期的星系合并和相互作用，第一個大質(zhì)量或超大質(zhì)量的黑洞，甚至比之前發(fā)現(xiàn)的更早類星體。這些潛在的“第一”僅僅是這項研究價值的開始：這個由來自世界各地100多名研究人員組成的團隊，將繼續(xù)對該領(lǐng)域的許多物體進行分類，這些數(shù)據(jù)將有助于證明宇宙在不同時期的結(jié)構(gòu)是什么樣的。也許這項研究最令人興奮的部分是：研究小組將如何利用這些數(shù)據(jù)來發(fā)現(xiàn)關(guān)于宇宙歷史上一個重要時期的新發(fā)現(xiàn)，這段時期被稱為“再電離時代”。

深入研究宇宙早期時代

宇宙大爆炸引發(fā)了一系列事件，導(dǎo)致了宇宙微波背景、黑暗時代、第一批恒星和星系，然后是再電離時代。在此期間，宇宙中的氣體從大多數(shù)中性轉(zhuǎn)變?yōu)樽贤夤猓@意味著它是不透明的，并成為完全電離的，這使得它是透明的。電離意味著原子的電子被剝奪了，最終導(dǎo)致了今天在宇宙大部分區(qū)域檢測到的“清晰”條件。關(guān)于宇宙中這一獨特的時刻，仍有許多問題存在。

例如，是什么使氣體從中性轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋x？又花了多長時間，宇宙才變得明顯不透明，變得更加透明呢？研究認為這是在年輕紫外線逃逸形成星系時發(fā)生，可能還有其他因素。例如，早期吸積的黑洞可能也發(fā)出了紫外光，最終幫助改變了氣體。星系出現(xiàn)在天空中的位置提供了另一條線索，科學(xué)家將研究再電離時代的星系，看看它們是聚集在同一區(qū)域，還是更加孤立。

雖然對星系演化成長和變得更大的原因有很多想法，但需要更全面的關(guān)于這些星系的信息，才能充分了解它們最初是如何成長和演化的。星系合并或相互作用的存在（或缺乏），也將有助于該團隊追蹤再電離時代的環(huán)境條件。CEERS的研究將給我們提供關(guān)于這段時間是如何進行的線索。該小組設(shè)計了CEERS研究，為這一視野中的許多目標提供盡可能多的補充數(shù)據(jù)。

韋伯宇宙大普查

研究將使用韋伯的三臺儀器，在幾種模式下，除了光譜之外，還將獲得加長的格羅斯地帶圖像。而且光譜是無價的數(shù)據(jù)，因為它們幫助研究人員識別每個目標的顏色、溫度、運動和質(zhì)量。并提供更深入的觀察遠處物體的化學(xué)組成，這就是韋伯太空望遠鏡近紅外光譜儀(NIRSpec)的不同之處，研究將打開光譜儀的微快門縫隙，單獨觀察數(shù)百個星系。在最初數(shù)據(jù)發(fā)布后的幾個月里，CEERS研究人員將創(chuàng)建并發(fā)布任何研究人員都可以用來分析數(shù)據(jù)的新工具和目錄：

包括星系質(zhì)量、星系形狀和光度紅移，用同樣的一套觀測，數(shù)百名研究人員可以進行數(shù)百項科學(xué)實驗。還會發(fā)現(xiàn)一些我們甚至沒有想過要問的事情，這也是CEERS研究將如此有價值的另一個原因。宇宙演化早期科學(xué)研究（CEERS）將影響未來與韋伯太空望遠鏡一起進行的遙遠星系研究，同時還將向社會證明，使用各種儀器和模式進行觀測是提高韋伯太空望遠鏡科學(xué)產(chǎn)量非常有效的方式。

博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達德太空飛行中心

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)