詹姆斯·韦伯太空望远镜,是迄今为止人类建造的最贵、最强大的红外波段太空望远镜,它的主反射镜由铍制成,口径达到6.5米,面积超过哈勃太空望远镜的5倍。它的主要任务是调查宇宙大爆炸的残余红外线证据——简单来说就是观测宇宙的初期状态。
有人可能会问,詹姆斯·韦伯太空望远镜能看到宇宙大爆炸的全过程吗?
答案是:不能。詹姆斯·韦伯太空望远镜可以看到宇宙的过去,但没有办法观察到大爆炸的整个过程。
原因是光速是有限的,这意味着光也需要时间才能到达观测者的眼睛。比如当你看月亮的时候,你看到的大约是它一秒钟前的样子;当你看太阳时,你看到的大约是它8分钟前的样子,因为从太阳发出来的光,需要8分钟才能到达地球;而当你观察仙女座星系的时候,你看到的是它250万年前的样子。
我们能看到的最早的光来自137.99亿年前。这个时间非常接近宇宙最初的时间,但不是来自宇宙大爆炸那一刻,而是宇宙大爆炸38万年后。因为早期的宇宙又热又稠密,充满了等离子体——等离子体是物质固态、液态和气态之外的第4态,是原子核和自由电子的混合物。等离子体的自由电子的能量太大,无法与原子共存,它是不透明的,会将宇宙初期的光遮挡。
在大爆炸发生38万年后,宇宙膨胀并冷却,这意味着电子可以留在原子核周围。宇宙中充满了气体而不是等离子体,因此变得清晰起来。这被称为重组时代,我们能观测到的最早的光实际上是重组时代之前等离子体的余晖。
然而,随着宇宙膨胀,穿过宇宙的光也随之膨胀,我们称之为宇宙红移。等离子体的余晖红移得如此之大,以至于它不再是可见光,而是微波。看起来就像下图这样子,这张图也叫宇宙微波背景辐射。
我们能看到的宇宙中最早的可见光图像是这样的:
红移是什么?简单来说就是,当一个发光的物体以极快的速度远离我们的时候,我们观测到的光的频率会变低,其作用相当于光的波长被拉长,而长波处于光谱的红端,因此叫红移。当这个物体远离我们的速度越大,我们接收到的光的频率就越低,红移越大,就越难观测到。
相反,当一个发光物体以极快的速度接近我们的时候,光的频率会变高,这叫蓝移。很明显的,如果我们以30%的光速在太空中飞行,那么我们的面前的景象将有可能是一片蓝色。
在上面宇宙最早的可见光图像中,有一个被称为GN-z11的物体的放大图,这是一个距离我们非常遥远的星系,它的红移如此之大,以至于我们差点看不到它。这个星系的光来自宇宙大爆炸发生大约4亿年之后,也就是所谓的宇宙黑暗时代结束后不久,那时候还没有恒星。当时,它可能看起来像这样:
据估计,GN-z11的质量约为银河系的1%,其大小约为银河系的4%,它形成恒星的速度比银河系快20倍。在许多方面,GN-z11挑战了很多科学家关于早期宇宙中星系形成的理论,很多科学家因此“吵翻了”。
因此,詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要任务就是去揭示真相,去证明哪位科学家的理论才是正确的,为了理解第一批星系是如何形成的,我们希望看到比GN-z11更远(即更早、更古老)的星系。问题是,那些星系的红移太大,我们接收到的光的频率很低,相当于远红外光波,这意味着地面望远镜受到了严重限制,因为大气层善于阻挡红外光。
有人可能会问,那哈勃太空望远镜干什么去了?哈勃望远镜主要用于在可见光谱中观察,其观测到的光的频率受到其2.4米反射镜的限制。
哈勃太空望远镜因此,我们想要研究第一批星系的形成,就需要一台“地面望远镜”,它的反射镜要宽得多,但它要被放在太空中,这样红外就不会被阻挡,而且要有专门用于红外观测的仪器。那台望远镜是詹姆斯·韦伯太空望远镜。它不会让我们看到宇宙大爆炸,但它会让我们看到第一个星系的形成。
不仅如此,它还将使我们能够更清晰地研究物体,从新的角度进行研究。下面这两张照片是哈勃太空望远镜拍摄的同一个物体。左边的那张在可见光下,气体和尘埃阻挡了很多有趣的细节,但这些细节可以在红外光仪器中看到,就像右边的图像一样。
然而,哈勃望远镜仅限于近红外光波段。詹姆斯·韦伯太空望远镜能够在远红外条件下使用更大的反射镜进行观察。它将能够更容易地看穿尘埃,并产生更详细的图像,使我们能够获得更好的数据,并对遥远的天体进行更好的科学研究。詹姆斯·韦伯太空望远镜甚至可以让我们直接观察其他恒星周围的遥远行星。
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