史上最强望远镜韦伯，将回顾宇宙不为人知的“黑暗时期”

哈勃拍摄了它所能看到的最古老星系的照片，但詹姆斯·韦伯空间望远镜可以追溯更遥远的宇宙历史。

图片来源：NASA

有人将美国航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）称为“吞噬天文学的望远镜”（telescope that ate astronomy）。它是有史以来最强大的空间望远镜，也是突破人类工程学极限的复杂机械产物。经过多年的延期和数十亿美元的成本超支，韦伯望远镜计划于2021年12月18日发射进入轨道，引导我们进入下一个天文学时代。

关于宇宙的一些最重大的问题仍悬而未决，它们与大爆炸之后的早期宇宙历史有关。第一个恒星和星系是什么时候形成的？它们哪一个更先出现？原因又是什么？天文学家可能很快就能揭开星系诞生的故事，因为詹姆斯·韦伯空间望远镜就是专门为回答这些问题而建造的，这一点令人兴奋不已。

这张示意图显示了宇宙是如何随时间而发展的。在恒星或星系发出任何光之前，宇宙经历了一段被称为“黑暗时期”的日子。

图片来源：空间望远镜研究所（Space Telescope Institute）

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宇宙的“黑暗时期” （Dark Ages）

已有充分的证据表明，宇宙始于138亿年前的一次大爆炸事件，当时它处于超高温、超致密的状态，在大爆炸之后，宇宙立即开始膨胀，然后冷却下来。大爆炸之后的1秒，宇宙的直径约为一百万亿英里，平均温度达到令人难以置信的180亿华氏度（100亿摄氏度）；大爆炸后大约40万年，宇宙直径变成了大约1000万光年，温度也冷却到了5500华氏度（3000摄氏度）。假如这时候有个人站在旁边看宇宙，它就像一盏巨大的加热用暖灯一样，发出暗红色的光芒。

在这段时间里，太空中满是高能粒子、辐射、氢和氦的混沌状态，还不存在任何结构。随着不断的膨胀，宇宙变得越来越大、温度越来越低，混沌的“汤”被稀释开，一切都变成了暗淡的黑色：这是天文学家所说的宇宙“黑暗时期”的开始。

在“黑暗时期”，宇宙并不是完全均匀的，在引力的作用下，微小的气体区域开始聚集在一起，变得更加密集起来。光滑的宇宙变得凹凸不平，而这些密度较大的一簇簇小小的气体区域，则是最终形成恒星、星系和宇宙中其他一切天体的种子。

 “黑暗时期”的宇宙几乎看不到什么实质性的东西，但它是宇宙演化的一个重要阶段。

这张图显示了不同波长的光对应的物体大小，来自早期宇宙的光到达地球时处于红外波长，也就是拥有比红光更长波长的光。

图片来源：NASA 

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寻找宇宙的第一道光

在引力的作用下，当第一批恒星和星系形成并最终发射出了第一道光时，“黑暗时期”就结束了。目前，天文学家还不知道第一道光是何时出现的，但最符合观测结果的猜测是在大爆炸之后的数亿年，此外，恒星和星系究竟谁更先形成也还是一个未解之谜。

天文学家认为，宇宙由暗物质主导，目前基于引力如何在宇宙中形成结构的理论表明，首先形成的可能是像恒星和星团这张的小型结构，它们后续进一步成长形成矮星系（dwarf galaxy），然后是更大的星系，比如银河系。与如今的恒星相比，宇宙中这些最初的恒星更为极端，它们的亮度要高出上百万倍，但寿命很短；它们炽热而明亮，死后留下高达约100倍太阳质量的黑洞，而这些黑洞则可能是星系形成的种子。

天文学家很想研究这个迷人而重要的宇宙时期，但第一道光的探测却极具挑战性。与如今巨大而明亮的星系相比，最初的一切都非常之小，而且由于宇宙在不断膨胀，它们现在位于地球数百亿光年之外的某处。此外，最早的恒星被它们形成时留下的气体包围，这种气体就像迷雾一样吸收了大部分的光；辐射花了数亿年时间才将迷雾吹散，这种早期的光在到达地球时信号极为微弱。

但这还不是唯一的挑战。

随着宇宙的持续膨胀，它不断拉伸着这些穿过它的光，使其波长不断变大。这种现象被称为红移（redshift），因为它将较短波长的光（比如蓝光或白光）变成了较长波长的光（比如红光或红外光）。

当130亿年前早期恒星或星系发出的光被地球上的某台望远镜观测到时，它已经被宇宙膨胀拉伸了10倍，以红外光的形式到达，这意味着它的波长比红光还长。要想观测到宇宙的第一道光，就必须寻找红外信号。

望远镜就像一台时光机

我们即将进入詹姆斯·韦伯空间望远镜的时代。

望远镜就像是时光机，如果一个天体距离我们一万光年，这意味着光需要跋涉一万年才能到达地球。因此，天文学家在太空中观测得越远，所观测的历史也就越久远。

詹姆斯·韦伯空间望远镜专为探测宇宙中最古老的星系而设计。

图片来源：NASA/喷气推进实验室-加州理工学院

工程师对韦伯望远镜进行了优化，让它能检测到最早的恒星或星系发出的微弱的红外光信号。与哈勃空间望远镜相比，詹姆斯·韦伯的相机视野扩大了15倍，收集的光信号数量增多了6倍，传感器也被调整成了对红外光最敏感的状态。

观测计划将是让韦伯望远镜长时间凝视某一片天空，从最遥远和最古老的星系中收集尽可能多的光和信息。有了这些数据，就有可能回答“黑暗时期”是在何时以何种方式结束的，它们还有望做出许多其他重要的发现，例如，揭开“黑暗时期”的悬疑故事也可能有助于解释暗物质的性质，这种神秘的物质形式占据了大约80%的宇宙质量。

詹姆斯·韦伯望远镜是NASA尝试过的技术难度最高的一项任务，它可能有助于回答的科学问题是值得它背后的每一分努力的，天文学家们正在兴奋地等待着，等待在2022年的某个时候，数据开始返回。

本文作者为亚利桑那大学（University of Arizona）杰出天文学教授克里斯·因佩（Chris Impey）。

参考来源：https://theconversation.com/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of-the-universe-169603