這7個宇宙大謎題，史上最強(qiáng)太空望遠(yuǎn)鏡能回答嗎？

美國國家航空航天局（NASA）將于下周發(fā)布詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）拍攝的第一批全彩照片。

這些照片將為人類呈現(xiàn) JWST 眼中的宇宙，以及告訴人類 JWST 將如何解決宇宙中最大的謎題。

作者：María Arias

圖｜JWST 為大麥哲倫星系的一部分拍攝的中紅外圖像

7 月 12 日，JWST 將發(fā)布其第一批全彩照片，揭開天文學(xué)新紀(jì)元的序幕，這是 JWST 首次專門為用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的任務(wù)進(jìn)行觀測。

經(jīng)過數(shù)年的拖延和數(shù)月的測試，作為有史以來最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡，JWST 終于準(zhǔn)備好為人類揭開宇宙謎題的新線索，使人類比以往任何時候都能更深入地觀察到宇宙的遙遠(yuǎn)過去。

JWST 的主鏡，總直徑為 6.5 米，被分割成 18 面鏡片，懸浮在太陽-地球的第二拉格朗日點(diǎn)。

也就是說，JWST 在地球-太陽連線上地球背后的 150 萬千米處繞 L2 以暈輪軌道運(yùn)行，而不是繞近地軌道公轉(zhuǎn)。

因此，JWST 可以收集到來自更微弱、更遙遠(yuǎn)的恒星和星系的光——這些光在膨脹的宇宙中旅行了數(shù)十億年后被拉伸成紅外線。

相比于哈伯太空望遠(yuǎn)鏡，JWST 擁有更高的紅外分辨率和靈敏度，可以看到更多有關(guān)宇宙的細(xì)節(jié)，它帶有的近紅外光譜儀或許可以表征“潛伏”在可能宜居的系外行星大氣中的分子。

JWST 的最新發(fā)現(xiàn)，有助于人類解開宇宙中的一些最大謎題，比如第一顆恒星是如何形成的、超大質(zhì)量黑洞的起源是什么，以及最有希望的系外行星能否孕育生命。

一個即將被回答的問題是，JWST 將如何改變?nèi)祟悓τ钪娴恼J(rèn)識。

近日，權(quán)威科學(xué)雜志 New Scientist 刊登了一篇題為“7 big questions the James Webb Space Telescope is about to answer”的文章，詳細(xì)介紹了 JWST 有望揭開的 7 大宇宙謎題。如下：

第一顆恒星是在何時何地形成的？

超大質(zhì)量黑洞的起源是什么？

暗物質(zhì)是冷的嗎？

大質(zhì)量恒星如何變成超新星？

像地球這樣的行星從哪里獲得水？

最有希望的系外行星能否孕育生命？

宇宙的膨脹率是否破壞了我們最好的宇宙學(xué)模型？

在不改變文章原意的前提下，學(xué)術(shù)君對原文進(jìn)行了精心的編譯。

1. 第一顆恒星是在何時何地形成的？

大爆炸（big bang）之后，宇宙進(jìn)入了黑暗時期（cosmic dark ages）。

這一時期的物質(zhì)，要么是既不發(fā)光也不反光的暗物質(zhì)，要么是中性的氫氣和氦氣。

之后，經(jīng)過了幾億年的時間，氣體開始聚合，形成了恒星，就有了光。

第一批恒星發(fā)出的輻射把周圍的中性氣體電離。

當(dāng)再電離時期（epoch of reionisation）結(jié)束，宇宙從一個同質(zhì)化的“原始湯”變成了一個高度結(jié)構(gòu)化的“排列”，有了星系、恒星，甚至還可能出現(xiàn)了行星。

這是我們知道的。

但我們并沒有真正觀察到這一切的發(fā)生。

羅切斯特理工學(xué)院天體物理學(xué)家 Jeyhan Kartaltepe 使用 JWST 進(jìn)行了長達(dá) 256 小時的宇宙觀測，以回答關(guān)于“宇宙黎明”的一系列廣泛問題。

最早的恒星是什么類型的？它們是在什么樣的星系中形成的？再電離發(fā)生的時間有多早？持續(xù)了多長時間？

“用哈伯太空望遠(yuǎn)鏡觀測到的原始星系，只是圖像上的一個模糊不清的點(diǎn)，你只能知道它有多亮，僅此而已?！?Kartaltepe 說?！艾F(xiàn)在，JWST 可以觀測到星系內(nèi)恒星的質(zhì)量，并解析出結(jié)構(gòu)，可以了解更多（細(xì)節(jié)）。”

不久之后，Kartaltepe 團(tuán)隊或?qū)⑹谷祟悓υ匐婋x時期有一個全面的認(rèn)識。

人類通過觀察“紅移”（red shift）來測量深空物體間的距離：即它們發(fā)出的光在不斷膨脹的宇宙中穿行數(shù)十億年，到達(dá)地球之前，被拉伸并變得更紅的程度。

宇宙的黎明，被認(rèn)為是在紅移為 10 左右時開始的，當(dāng)時的宇宙大約已經(jīng)有 5 億年的歷史。

但是，來自哈佛大學(xué)的 Rohan Naidu 卻認(rèn)為，人類可能會找到證據(jù)，來證明第一批恒星是在一個電離泡（ionised bubble）中形成的，也就是紅移為 9 時。

“看到這些高紅移星系，我非常興奮。我們也許可以（在其中）看到第一批恒星，”Naidu 說。

2. 超大質(zhì)量黑洞的起源是什么？

黑洞是時空中密度極高、扭曲變形的區(qū)域，具有極強(qiáng)的引力，連光都無法逃脫。

有一些黑洞是在大質(zhì)量恒星坍縮時產(chǎn)生的，質(zhì)量為太陽質(zhì)量的幾倍，甚至上百倍。

而在大多數(shù)星系的中心，存在超大質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量從太陽的十萬倍到幾百億倍不等。

這類黑洞在吸積質(zhì)量和發(fā)射強(qiáng)大的噴流時，會破壞周圍的一切，從而塑造星系的演化。

在天體物理學(xué)中，最令人困惑的觀測之一是：

人類觀測到的超大質(zhì)量黑洞已經(jīng)有數(shù)十億個太陽的質(zhì)量，而宇宙的年齡還不到 10 億年。

即使這些黑洞通過吞噬恒星和氣體以指數(shù)級增長，它們最初的質(zhì)量也一定有數(shù)千個太陽那樣大。

根據(jù)現(xiàn)有的黑洞形成和增長的模型，人類并不知道超大質(zhì)量黑洞是如何形成的。

為此，理論學(xué)家提出了兩種假說。

第一種假說是，超大質(zhì)量黑洞源于大質(zhì)量氣體云的坍縮，要么直接坍縮成超大質(zhì)量黑洞，要么坍縮成大質(zhì)量恒星，然后坍縮成黑洞。

而第二種假說認(rèn)為，密集的星團(tuán)相互融合，變得越來越大，最終形成了超大質(zhì)量黑洞。

為進(jìn)一步了解超大質(zhì)量黑洞，天文學(xué)家 Xiaohui Fan 將觀測由黑洞產(chǎn)生的遙遠(yuǎn)類星體。

當(dāng)氣體高速盤旋進(jìn)入這些黑洞時，會發(fā)射出巨大的粒子和輻射噴流，明亮的類星體就產(chǎn)生了。

Fan 的團(tuán)隊將觀察目標(biāo)鎖定為人類已知的三個最遙遠(yuǎn)的類星體。

他們將測量氣體和塵埃盤旋進(jìn)入黑洞的速度，進(jìn)而直接探測這些類星體的質(zhì)量，再結(jié)合光度的測量，就可以算出黑洞吸積物質(zhì)的速率。

這一工作將告訴人類最精確的黑洞初始質(zhì)量范圍，以及超大質(zhì)量黑洞萌發(fā)的時間有多早。

盡管不能解釋超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，但或許可以揭示它們是如何生長的，以及如何影響星系的演化。

最大質(zhì)量的黑洞存在于最大質(zhì)量的星系中。但哪一個先出現(xiàn)，誰生成了誰，這是一個宇宙學(xué)上的“雞和蛋”的難題。

借助高靈敏度的 JWST，人類將第一次看到這類黑洞的主星系發(fā)出的恒星光，描述它們的年齡，進(jìn)而了解恒星和星系相對于黑洞形成的時間。

3. 暗物質(zhì)是冷的嗎？

暗物質(zhì)是一種神秘的物質(zhì)形態(tài)，人類只能從它的引力效應(yīng)來推斷它的存在。

盡管人類認(rèn)為暗物質(zhì)大約占到宇宙所有物質(zhì)的 85%，但卻不知道它是由什么粒子組成的（如果它真的是由粒子組成的）。

就目前而言，人類認(rèn)為暗物質(zhì)是“冷的”。也就是說，暗物質(zhì)移動緩慢，可以在自身引力的作用下聚集成更大的結(jié)構(gòu)，即暈（haloes）。

在人類目前關(guān)于宇宙演化的認(rèn)知中，暗物質(zhì)幫助塑造了宇宙，因為“暗物質(zhì)暈”吸引了氣體，而氣體聚集、坍縮形成了恒星和星系。

暗物質(zhì)暈的大小不一，小到只有地球般大小，大到有太陽質(zhì)量的千萬億倍大。

當(dāng)暗物質(zhì)暈的質(zhì)量小于 1000 萬倍太陽質(zhì)量時，它們無法吸引足夠的氣體來形成星系，而是以暗物質(zhì)“小口袋”的形式存在。

因此，在這種假設(shè)下，人類可能被許多這種較小的暗物質(zhì)暈包圍著。

加州大學(xué)默塞德分校 Anna Nierenberg 團(tuán)隊將通過觀察類星體來驗證這一假設(shè)，并進(jìn)一步驗證“暗物質(zhì)是冷的”這一觀點(diǎn)。

在這種情況下，類星體釋放的光會因較小的、無法形成星系的暗物質(zhì)暈的引力而彎曲，進(jìn)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在太空望遠(yuǎn)鏡中產(chǎn)生重復(fù)的圖像。

對于人類而言，探測到這些微小的暗物質(zhì)暈將是一個巨大的成功。

或者說，“如果它們不存在，就意味著暗物質(zhì)不可能是冷的，而一定有一種更奇異的性質(zhì)”。

4. 大質(zhì)量恒星如何演變成超新星？

星體都會消亡，像太陽般大小的恒星會相對平靜地滅亡。

大質(zhì)量恒星會在極為壯觀的劇烈爆炸中消逝，形成核心坍縮超新星，并向周圍釋放巨大的能量。

爆炸產(chǎn)生的沖擊波會加熱并電離周圍物質(zhì)，導(dǎo)致新一代恒星的形成。

超新星還會釋放出各種各樣的化學(xué)元素，形成的氣體云會創(chuàng)造類似地球的行星。

但是，人類并不知道大質(zhì)量恒星的爆炸過程是怎樣的。

目前，主要存在兩種解釋模型：電子捕獲模型（electron-capture model）和鐵核坍塌模型（iron-core collapse model）。

在電子捕獲模型中，一顆恒星有一個由氧、氖和鎂組成的核心，這一核心被這些原子的電子壓力支撐著，這是量子力學(xué)定律的結(jié)果，即它們不可能占據(jù)相同的能態(tài)。

如果核心變得過于密集，氖原子和鎂原子的原子核就會吸收它們的電子，發(fā)生電子捕獲反應(yīng)。

壓力下降，恒星外層的引力坍縮，爆炸發(fā)生。

而在鐵核坍塌模型中，恒星內(nèi)部形成了一個鐵核。由于鐵是一種非常穩(wěn)定的元素，不能聚變成其他元素并釋放能量，核反應(yīng)不能再平衡重力，導(dǎo)致坍縮和爆炸。

恒星爆炸時，人類不可能觀察到恒星內(nèi)部發(fā)生了什么。

但是，普林斯頓大學(xué) Tea Temim 將利用 JWST 更近距離地觀察蟹狀星云，以了解更多細(xì)節(jié)。

圖｜蟹狀星云，超新星爆炸的遺跡

蟹狀星云是一顆 8-10 倍太陽質(zhì)量的恒星發(fā)生超新星爆炸產(chǎn)生的遺跡，于 1054 年被天文學(xué)家記錄，是有史以來研究最為徹底的天體之一。

如果更近距離地觀察它，人類可能會弄清楚它是如何爆炸的。

因為兩種可能的爆炸機(jī)制都會留下一些特征：

在每種情況下，鐵與穩(wěn)定鎳的比例不同，以及鐵在恒星噴出的物質(zhì)中的分布不同。

由于蟹狀星云有一個非常復(fù)雜的電離結(jié)構(gòu)，Temim 團(tuán)隊需要確保對不同元素的測量來自遺跡中相同的地方。

而目前只有 JWST 擁有足夠的分辨率。

5. 像地球這樣的行星從哪里獲得水？

人類很幸運(yùn)，居住在一個有著海洋、湖泊、河流和瀑布的綠色星球。

但是，基于人類對太陽系的了解，地球在形成初期并不是藍(lán)色的。

大約在 45 億年前，當(dāng)?shù)厍驈囊粓鲇蓺怏w和塵埃組成的大漩渦中誕生時，它處于太陽的“雪線”之內(nèi)，在這個半徑之外，溫度低到所有的水都結(jié)成了冰。

而當(dāng)時太陽釋放的能量比現(xiàn)在更多，輻射壓會把任何接近地球的水蒸氣都推到“雪線”之外。

因此，在那時，形成地球的物質(zhì)并不含任何水。

“所以地球上的水一定來自某個地方?！?太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）Isabel Rebollido 說。

有行星科學(xué)家認(rèn)為，地球上的水可能是后來由小行星或彗星在被稱為“晚期重轟炸”（后期重轟炸期）帶來的，氣體巨星行將冰代入了太陽“雪線”內(nèi)。

Rebollido 將使用 JWST 觀察 5 個處于類似演化階段的系外行星系統(tǒng)。

“人類在行星系統(tǒng)內(nèi)部區(qū)域探測到的氣體，一種可能的解釋是，從外部區(qū)域進(jìn)來的固體、冰冷的天體正在蒸發(fā)?！?/p>

6. 最有希望的系外行星能否孕育生命？

幾個世紀(jì)以來，關(guān)于地球以外行星上的生命前景一直吸引著人類。

如今，人類可以通過在系外行星大氣層中尋找“生物特征”，來達(dá)到尋找外星生命的目的。

如果存在某些分子組合 ，比如甲烷和二氧化碳，這些物質(zhì)可以證明生命可能存在。

但是，首要條件是得有大氣層。

人類利用凌日時間變分法來描述系外行星大氣層的構(gòu)成：

當(dāng)一顆行星經(jīng)過其主星前方時，其大氣中的各種分子與來自恒星的光相互作用，同時發(fā)射或吸收特定波長的紅外輻射，形成范圍內(nèi)的“分子指紋”。

JWST 上的光譜儀對這些“指紋”十分敏感，它可以識別可涉范圍內(nèi)存在的分子。

“JWST 將會帶來徹底的革命，因為目前哈勃和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的波長范圍相對有限，人類無法測量宇宙的太多東西?！?亞利桑那大學(xué) Megan Mansfield 說。

為了使凌日法起到作用，來自行星大氣層的信號必須與來自恒星的更亮的信號相一致。

即使 JWST 擁有前所未見的功能，也只有在一些特定的行星上才有發(fā)現(xiàn)的擁有生命體征的可能。

不過幸運(yùn)的是，這樣一來，人類的視野中就會清晰地出現(xiàn)一組特別吸引人的系外行星。

Trappist 1 是人類在 2016 年發(fā)現(xiàn)的 7 顆巖石行星的集合，擁有比人類所知的任何其他系統(tǒng)都多的能夠維持液態(tài)水的行星。

“但有一個頭疼的問題，我們并不知道特 Trappist 1 或任何其他圍繞 M 型紅矮星運(yùn)行的行星體系能否保留它們的大氣層足夠長的時間，來供給生命體發(fā)育成長?！盡ansfield 說。

這是因為 M 型紅矮星最初形成時，要比太陽等恒星更為活躍，它們拋出的大量高能輻射可能會將行星上的大氣層剝離下來。

因此，為尋找外星生命，JWST 需要解決的關(guān)鍵問題之一，就是確定 M 型紅矮星周圍的系外行星是否有大氣層。

約翰霍普金斯大學(xué) Kevin Stevenson 將對圍繞最近的 M 型紅矮星運(yùn)行的 5 顆陸地系外行星進(jìn)行觀測，其中包括 Trappist 1 中的一顆。

“如果這 5 顆行星中沒有一顆有大氣層，這就說明大氣層在 M 型紅矮星-行星系統(tǒng)中是十分罕見的?！盨tevenson 說，“我們應(yīng)該著手觀察圍繞其他類型恒星運(yùn)行的行星?！?/p>

“另一種結(jié)果就是檢測到了大氣層，那就說明我們有了充分的候選者來進(jìn)行更進(jìn)一步的跟進(jìn)。但即便情況如此，是否能夠通過 JWST 準(zhǔn)確檢測到外星生命的微弱跡象，還有待觀察。這很大程度上取決于儀器的性能?！?/p>

7. 宇宙膨脹率是否破壞了我們最好的宇宙學(xué)模型？

我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中，不同星系以哈勃常數(shù)的速度相互遠(yuǎn)離。

這可以通過確定到遙遠(yuǎn)天體的距離來直接測量，也可以通過結(jié)合對早期宇宙的觀測和人類關(guān)于宇宙演化的最佳理論來間接測量。

但問題是，兩個測量結(jié)果并不一致。

在目前的宇宙學(xué)模型中，人類假設(shè)宇宙是由輻射、物質(zhì)（包括暗物質(zhì)）和暗能量組成的，暗能量被認(rèn)為是宇宙膨脹的原因。

宇宙學(xué)家從大爆炸的遺跡輻射中獲取數(shù)據(jù)，并將其輸入模型中，從而估算出宇宙的膨脹速率。

但是，當(dāng)天文學(xué)家通過對遙遠(yuǎn)物體的觀測來測量哈勃常數(shù)時，得到了不一樣的結(jié)果。

這種差異被稱為哈勃張力，或許會說明人類對宇宙演化的理解存在嚴(yán)重的錯誤。

但是，標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型是非常成功的，它囊括了所有的觀測結(jié)果，所以人類只有得到一個非常具有說服力的理由才能拋棄它。

而 JWST 有望解決這一爭論。

JWST 拍攝的更清晰的圖像將有助于區(qū)分造父變星對鄰近恒星的貢獻(xiàn)。

此外，更高的靈敏度將使人類能夠在更遙遠(yuǎn)的星系中看到造父變星。

圖｜造父變星是測量宇宙的關(guān)鍵

德國慕尼黑工業(yè)大學(xué) Sherry Suyu 通過研究類星體閃爍現(xiàn)象，來試圖回答這一問題。

當(dāng) JWST 和類星體之間有一個巨大的物體時，比如另一個星系，它的引力就會像一個透鏡一樣，在 JWST 中產(chǎn)生類星體的多個圖像。

在不同的圖像中，類星體的閃爍會有延遲，因為由于透鏡效應(yīng)，每個圖像都有不同的光路，而這些延遲不僅與類星體的距離有關(guān)，還與透鏡星系的引力勢有關(guān)。

通過 JWST，Suyu 團(tuán)隊將測量透鏡狀星系中恒星的速度，從而了解其質(zhì)量分布——因此，在從類星體閃爍時間延遲估計哈勃常數(shù)時，更好地修正其引力勢，這是天文學(xué)家使用的另一種方法。

如果距離測定方法對哈勃常數(shù)達(dá)到相同的值，則天文測量是具有魯棒性的。

如果它們與宇宙學(xué)模型中的哈勃值一致，那么張力就會消失。

如果人類真的證明標(biāo)準(zhǔn)模型有效，那將是一個非常重要的結(jié)果。

如果天文測量仍然不同于宇宙學(xué)模型呢? “如果這被證明是一種新的物理學(xué)，那將是非常有趣的?！?Suyu 說。

如今，即使天文學(xué)家們在 JWST 的第一個觀測周期中確切地知道他們將看到什么，但他們?nèi)匀粸榭赡軙吹揭恍┮庀氩坏降臇|西而感到興奮。

每當(dāng)一種新的儀器打開一個新的觀測窗口，它就會創(chuàng)造出無限的可能性。JWST 也不例外。

原文鏈接：

https://www.newscientist.com/article/mg25533940-900-7-big-questions-the-james-webb-space-telescope-is-about-to-answer/