有些人将美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜称为“吞噬天文学的望远镜。” 它是 最强大的太空望远镜 迄今为止，这是一件复杂的机械折纸作品，突破了人类工程学的极限。 经过多年的延误和数十亿美元的成本超支后，该望远镜于 18 年 2021 月 XNUMX 日竣工 计划发射进入轨道 并迎来下一个天文学时代。
我是 天文学家 我的专长是观测宇宙学——我研究遥远星系已经有 30 年了。 关于宇宙的一些最大的悬而未决的问题与大爆炸后的早期有关。 第一批恒星和星系何时形成？ 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·韦伯是专门为回答这些问题而建造的。
宇宙的“黑暗时代”
极好的证据表明，宇宙始于一个称为“宇宙”的事件 Big Bang 13.8亿年前，它处于超热、超致密的状态。 大爆炸后，宇宙立即开始膨胀，并同时冷却。 大爆炸后一秒，宇宙宽达 18 万亿英里，平均温度达到令人难以置信的 10 亿华氏度（400,000 亿摄氏度）。 大爆炸后约 10 万年，宇宙宽达 XNUMX 万光年， 温度已经冷却 至 5,500 华氏度（3,000 摄氏度）。 如果此时有人在场看到它，宇宙就会像一盏巨大的热灯一样发出暗红色的光。
在这段时间里，太空中充满了高能粒子、辐射、氢和氦的光滑汤。 没有结构。 随着膨胀的宇宙变得更大、更冷，汤变得稀薄，一切都变成了黑色。 这是天文学家所说的“ 黑暗时代 宇宙
黑暗时代的汤是 不完全均匀 由于重力的作用，微小的气体区域开始聚集在一起并变得更加密集。 光滑的宇宙变得凹凸不平，这些密度较大的气体小团块是最终形成恒星、星系和宇宙中其他一切的种子。
虽然没什么可看的，但黑暗时代是宇宙演化的一个重要阶段。
寻找第一道曙光
当引力形成第一批恒星和星系并最终开始发出第一道光时，黑暗时代就结束了。 尽管天文学家不知道第一道光何时发生，但最好的猜测是 数亿年 大爆炸之后。 天文学家也不知道首先形成的是恒星还是星系。
当前理论 基于引力如何在以暗物质为主的宇宙中形成结构，表明恒星和星团等小物体可能首先形成，然后成长为矮星系，然后成长为银河系等更大的星系。 与今天的恒星相比，宇宙中第一批恒星是极端的物体。 他们是 亮一百万倍 但他们的寿命很短。 他们燃烧得又热又亮，当他们死后，他们留下了 黑洞 高达太阳质量的一百倍，这可能 充当星系形成的种子.
天文学家很乐意研究这个令人着迷且重要的宇宙时代，但探测第一束光却极具挑战性。 与今天巨大、明亮的星系相比，最初的物体非常小，由于宇宙的不断膨胀，它们现在距离地球数百亿光年。 此外，最早的恒星被它们形成时留下的气体包围，这种气体就像雾一样吸收了大部分的光。 花了几亿年的时间 辐射驱散雾气。 当早期的光线到达地球时，它已经非常微弱了。
但这并不是唯一的挑战。
随着宇宙的膨胀，它不断地拉伸穿过它的光的波长。 这就是所谓的 红移 因为它将较短波长的光（如蓝光或白光）转变为较长波长的光（如红光或红外光）。 虽然这不是一个完美的类比，但这就像当一辆汽车驶过你身边时，它发出的任何声音的音调都会明显下降。
当 13 亿年前的早期恒星或星系发出的光到达地球上的任何望远镜时，它已经因宇宙的膨胀而被拉伸了 10 倍。 它以红外光的形式到达，这意味着它的波长比红光长。 要看到第一道光，您必须寻找红外光。
望远镜作为时间机器
输入詹姆斯·韦伯太空望远镜。
望远镜就像时间机器。 如果一个物体距离我们一万光年，那就意味着光需要一万年才能到达地球。 因此，天文学家在太空中观察得越远， 我们正在寻找更早的时间.
工程师 优化詹姆斯·韦伯 用于专门探测最早的恒星或星系的微弱红外光。 与哈勃太空望远镜相比， James Webb 的相机视野扩大了 15 倍，收集的光量是原来的六倍，其传感器经过调整，对红外光最敏感。
该战略将是 久久深深凝视一片天空，从最遥远和最古老的星系收集尽可能多的光和信息。 有了这些数据，也许可以回答黑暗时代何时以及如何结束的问题，但还有许多其他重要的发现有待实现。 例如，解开这个故事也可能 帮助解释暗物质的性质，构成物质的神秘形式 宇宙质量的80%.
詹姆斯·韦伯是 技术难度最大的任务 NASA 曾经尝试过。 但我认为它可能有助于回答的科学问题值得付出每一分努力。 我和其他天文学家正在兴奋地等待数据在 2022 年的某个时候开始返回。
图片来源：哈勃深场/ 美国航空航天局
