哈勃望远镜的继任者即将升空，第一个任务是回望宇宙的黑暗时代

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以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名的 James Webb Space Telescope 将于2021年12月22日发射升空。它是哈勃太空望远镜的继任者，将成为下一代空间天文台。其总重量为6.2吨，主反射镜由铍制成，口径达到6.5米，面积为哈勃太空望远镜的5倍以上，是有史以来建造的最强大的太空望远镜，将提供宇宙中形成的第一个星系的图像，并探索遥远恒星周围的行星。

Chris Impey 是亚利桑那大学的天文学杰出教授，美国天文学会的前任副主席。作为一个资深的天文学家和活跃的科普作者，他对詹姆斯韦伯太空望远镜可能带来的新发现充满期待，希望它能够回答许多长久以来悬而未决的难题。

艺术家对 NASA/ESA/CSA 詹姆斯韦伯太空望远镜的印象。

图源：ESA、NASA、S. Beckwith (STScI) 和 HUDF 团队、Northrop Grumman Aerospace Systems / STScI / ATG medialab

有关宇宙的一些最大的分歧与大爆炸刚刚发生之后的那段很短暂的时期有关，第一个恒星和星系是什么时候形成的？哪个先出现，为什么？这些问题可能会在不久的将来得到解答，因为詹姆斯韦伯望远镜就是专门为回答这些问题而建造的。

宇宙的“黑暗时代”

现有的很多证据表明，宇宙开始于138 亿年前的一次大爆炸事件，当时它处于超热、超高密度的状态。宇宙在大爆炸后立即开始膨胀，并在随后快速冷却。大爆炸后一秒钟，宇宙有160万亿公里宽，平均温度达到令人难以置信的100亿摄氏度。大爆炸约40万年后，宇宙有1000万光年宽，温度已经冷却到3000摄氏度。如果此时有人远远的看到它，宇宙就会像一盏巨大的加热灯一样发出暗红色的光芒。

在这段时间里，宇宙空间是一锅充满了高能粒子、辐射、氢和氦的稀薄的汤，没有内部结构。随着不断膨胀的宇宙变得越来越大，越来越冷，汤汁变得更稀了，一切都变成了黑色。这就是天文学家所说的宇宙黑暗时代的开始。

在第一颗恒星或星系发出第一束光之前，宇宙经历了一段被称为黑暗时代的时期。

图源：STScI

黑暗时代的汤不是完全均匀的，由于引力的存在，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，而这些密度较大的小块气体是最终形成恒星、星系和宇宙中其他一切事物的种子。虽然没有什么可看的，但黑暗时代是宇宙演化的一个重要阶段。

寻找第一束光

当引力形成第一批恒星和星系并最终开始发出第一束光的时候，黑暗时代就结束了。虽然天文学家不知道第一束光何时出现，但普遍的猜测是在大爆炸之后的数亿年内，而天文学家也不知道是先有恒星还是先有星系。

当前基于引力如何在暗物质主导的宇宙中形成结构的理论表明，小质量天体——如恒星和星团——可能首先形成，然后成长为矮星系，然后是更大的星系，如银河系。与今天的恒星相比，宇宙中的这些最初的恒星完全不同——它们比太阳亮一百万倍，但寿命很短。它们炽热而明亮，死后留下高达太阳质量100倍的黑洞，这些黑洞可能是星系形成的种子。

艺术家的插图简述了詹姆斯韦伯太空望远镜的科学能力，成像和光谱学都将是韦伯任务的核心。

图源：NASA、ESA 和 A. Feild (STScI)

天文学家一直都想研究这个神奇而重要的宇宙时代，但探测第一束光却极具挑战性。与今天巨大而明亮的星系相比，最初的天体非常小，而且由于宇宙的不断膨胀，它们现在距离地球数百亿光年之遥。此外，最早的恒星被它们形成时遗留的气体所包围，这种气体就像雾一样吸收了大部分光，辐射花了数亿年时间才将雾气吹散，因此这种宇宙早期的光在到达地球时已经非常微弱。

但这并不是唯一的挑战。

随着宇宙的膨胀，它不断拉伸传播中的光的波长，这被称为红移。当130亿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，它已经被宇宙膨胀拉伸了10倍。所以它会以红外光的形式到达，这意味着它的波长比红光更长。要看到第一束光，就必须寻找红外线。

来自早期宇宙的光到达地球时处于红外波段——这意味着比红光的波长更长。

图源：Inductiveload/NASA

望远镜也是时间机器

望远镜就像时光机。如果一个物体距离我们1万光年，这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到的距离越远，我们观察到的时间就越久。

詹姆斯韦伯太空望远镜专门设计用于探测宇宙中最古老的星系。

图源：NASA/Desiree Stover

工程师们对望远镜不断进行优化，专门检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，詹姆斯韦伯的相机视野扩大了15倍，收集的光线增加了6倍，其传感器被调整为对红外光最敏感。

探测策略将是长时间凝视同一片天空，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代何开始以及如何结束，但还有许多其他重要的发现有待做出。例如，这个答案也可能有助于解释暗物质的性质，暗物质是一种神秘的物质形式，约占宇宙质量的 80%。

James Webb Space Telescope 是 NASA 尝试过的技术难度最大的任务，但它可能提供的新发现完全值得许多人为之努力。

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

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