这7个宇宙大谜题，史上最强太空望远镜能回答吗？

2022 年 7 月 8 日 学术头条

美国国家航空航天局（NASA）将于下周发布詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的第一批全彩照片。

这些照片将为人类呈现 JWST 眼中的宇宙，以及告诉人类 JWST 将如何解决宇宙中最大的谜题。

作者： María Arias

图｜JWST 为大麦哲伦星系的一部分拍摄的中红外图像

7 月 12 日，JWST 将发布其第一批全彩照片，揭开天文学新纪元的序幕，这是 JWST 首次专门为用于科学发现的任务进行观测。

经过数年的拖延和数月的测试，作为有史以来最强大的太空望远镜，JWST 终于准备好为人类揭开宇宙谜题的新线索，使人类比以往任何时候都能更深入地观察到宇宙的遥远过去。

JWST 的主镜，总直径为 6.5 米，被分割成 18 面镜片，悬浮在太阳-地球的第二拉格朗日点。

也就是说，JWST 在地球-太阳连线上地球背后的 150 万千米处绕 L2 以晕轮轨道运行，而不是绕近地轨道公转。

因此，JWST 可以收集到来自更微弱、更遥远的恒星和星系的光——这些光在膨胀的宇宙中旅行了数十亿年后被拉伸成红外线。

相比于哈伯太空望远镜，JWST 拥有更高的红外分辨率和灵敏度，可以看到更多有关宇宙的细节，它带有的近红外光谱仪或许可以表征“潜伏”在可能宜居的系外行星大气中的分子。

JWST 的最新发现，有助于人类解开宇宙中的一些最大谜题，比如第一颗恒星是如何形成的、超大质量黑洞的起源是什么，以及最有希望的希外行星能否孕育生命。

一个即将被回答的问题是，JWST 将如何改变人类对宇宙的认识。

近日，权威科学杂志 New Scientist 刊登了一篇题为“7 big questions the James Webb Space Telescope is about to answer”的文章，详细介绍了 JWST 有望揭开的 7 大宇宙谜题。如下：

第一颗恒星是在何时何地形成的？
超大质量黑洞的起源是什么？
暗物质是冷的吗？
大质量恒星如何变成超新星？
像地球这样的行星从哪里获得水？
最有希望的系外行星能否孕育生命？
宇宙的膨胀率是否破坏了我们最好的宇宙学模型？

在不改变文章原意的前提下，学术君对原文进行了精心的编译。

1. 第一颗恒星是在何时何地形成的？

大爆炸（big bang）之后，宇宙进入了黑暗时期（cosmic dark ages）。

这一时期的物质，要么是既不发光也不反光的暗物质，要么是中性的氢气和氦气。

之后，经过了几亿年的时间，气体开始聚合，形成了恒星，就有了光。

第一批恒星发出的辐射把周围的中性气体电离。

当再电离时期（epoch of reionisation）结束，宇宙从一个同质化的“原始汤”变成了一个高度结构化的“排列”，有了星系、恒星，甚至还可能出现了行星。

这是我们知道的。

但我们并没有真正观察到这一切的发生。

罗切斯特理工学院天体物理学家 Jeyhan Kartaltepe 使用 JWST 进行了长达 256 小时的宇宙观测，以回答关于“宇宙黎明”的一系列广泛问题。

最早的恒星是什么类型的？它们是在什么样的星系中形成的？再电离发生的时间有多早？持续了多长时间？

“用哈伯太空望远镜观测到的原始星系，只是图像上的一个模糊不清的点，你只能知道它有多亮，仅此而已。” Kartaltepe 说。“现在，JWST 可以观测到星系内恒星的质量，并解析出结构，可以了解更多（细节）。”

不久之后，Kartaltepe 团队或将使人类对再电离时期有一个全面的认识。

人类通过观察“红移”（red shift）来测量深空物体间的距离：即它们发出的光在不断膨胀的宇宙中穿行数十亿年，到达地球之前，被拉伸并变得更红的程度。

宇宙的黎明，被认为是在红移为 10 左右时开始的，当时的宇宙大约已经有 5 亿年的历史。

但是，来自哈佛大学的 Rohan Naidu 却认为，人类可能会找到证据，来证明第一批恒星是在一个电离泡（ionised bubble）中形成的，也就是红移为 9 时。

“看到这些高红移星系，我非常兴奋。我们也许可以（在其中）看到第一批恒星，”Naidu 说。

2. 超大质量黑洞的起源是什么？

黑洞是时空中密度极高、扭曲变形的区域，具有极强的引力，连光都无法逃脱。

有一些黑洞是在大质量恒星坍缩时产生的，质量为太阳质量的几倍，甚至上百倍。

而在大多数星系的中心，存在超大质量的黑洞，质量从太阳的十万倍到几百亿倍不等。

这类黑洞在吸积质量和发射强大的喷流时，会破坏周围的一切，从而塑造星系的演化。

在天体物理学中，最令人困惑的观测之一是：

人类观测到的超大质量黑洞已经有数十亿个太阳的质量，而宇宙的年龄还不到 10 亿年。

即使这些黑洞通过吞噬恒星和气体以指数级增长，它们最初的质量也一定有数千个太阳那样大。

根据现有的黑洞形成和增长的模型，人类并不知道超大质量黑洞是如何形成的。

为此，理论学家提出了两种假说。

第一种假说是，超大质量黑洞源于大质量气体云的坍缩，要么直接坍缩成超大质量黑洞，要么坍缩成大质量恒星，然后坍缩成黑洞。

而第二种假说认为，密集的星团相互融合，变得越来越大，最终形成了超大质量黑洞。

为进一步了解超大质量黑洞，天文学家 Xiaohui Fan 将观测由黑洞产生的遥远类星体。

当气体高速盘旋进入这些黑洞时，会发射出巨大的粒子和辐射喷流，明亮的类星体就产生了。

Fan 的团队将观察目标锁定为人类已知的三个最遥远的类星体。

他们将测量气体和尘埃盘旋进入黑洞的速度，进而直接探测这些类星体的质量，再结合光度的测量，就可以算出黑洞吸积物质的速率。

这一工作将告诉人类最精确的黑洞初始质量范围，以及超大质量黑洞萌发的时间有多早。

尽管不能解释超大质量黑洞是如何形成的，但或许可以揭示它们是如何生长的，以及如何影响星系的演化。

最大质量的黑洞存在于最大质量的星系中。但哪一个先出现，谁生成了谁，这是一个宇宙学上的“鸡和蛋”的难题。

借助高灵敏度的 JWST，人类将第一次看到这类黑洞的主星系发出的恒星光，描述它们的年龄，进而了解恒星和星系相对于黑洞形成的时间。

3. 暗物质是冷的吗？

暗物质是一种神秘的物质形态，人类只能从它的引力效应来推断它的存在。

尽管人类认为暗物质大约占到宇宙所有物质的 85%，但却不知道它是由什么粒子组成的（如果它真的是由粒子组成的）。

就目前而言，人类认为暗物质是“冷的”。也就是说，暗物质移动缓慢，可以在自身引力的作用下聚集成更大的结构，即晕（haloes）。

在人类目前关于宇宙演化的认知中，暗物质帮助塑造了宇宙，因为“暗物质晕”吸引了气体，而气体聚集、坍缩形成了恒星和星系。

暗物质晕的大小不一，小到只有地球般大小，大到有太阳质量的千万亿倍大。

当暗物质晕的质量小于 1000 万倍太阳质量时，它们无法吸引足够的气体来形成星系，而是以暗物质“小口袋”的形式存在。

因此，在这种假设下，人类可能被许多这种较小的暗物质晕包围着。

加州大学默塞德分校 Anna Nierenberg 团队将通过观察类星体来验证这一假设，并进一步验证“暗物质是冷的”这一观点。

在这种情况下，类星体释放的光会因较小的、无法形成星系的暗物质晕的引力而弯曲，进而发生偏转，在太空望远镜中产生重复的图像。

对于人类而言，探测到这些微小的暗物质晕将是一个巨大的成功。

或者说，“如果它们不存在，就意味着暗物质不可能是冷的，而一定有一种更奇异的性质”。

4. 大质量恒星如何演变成超新星？

星体都会消亡，像太阳般大小的恒星会相对平静地灭亡。

大质量恒星会在极为壮观的剧烈爆炸中消逝，形成核心坍缩超新星，并向周围释放巨大的能量。

爆炸产生的冲击波会加热并电离周围物质，导致新一代恒星的形成。

超新星还会释放出各种各样的化学元素，形成的气体云会创造类似地球的行星。

但是，人类并不知道大质量恒星的爆炸过程是怎样的。

目前，主要存在两种解释模型：电子捕获模型（electron-capture model）和铁核坍塌模型（iron-core collapse model）。

在电子捕获模型中，一颗恒星有一个由氧、氖和镁组成的核心，这一核心被这些原子的电子压力支撑着，这是量子力学定律的结果，即它们不可能占据相同的能态。

如果核心变得过于密集，氖原子和镁原子的原子核就会吸收它们的电子，发生电子捕获反应。

压力下降，恒星外层的引力坍缩，爆炸发生。

而在铁核坍塌模型中，恒星内部形成了一个铁核。由于铁是一种非常稳定的元素，不能聚变成其他元素并释放能量，核反应不能再平衡重力，导致坍缩和爆炸。

恒星爆炸时，人类不可能观察到恒星内部发生了什么。

但是，普林斯顿大学 Tea Temim 将利用 JWST 更近距离地观察蟹状星云，以了解更多细节。

图｜蟹状星云，超新星爆炸的遗迹

蟹状星云是一颗 8-10 倍太阳质量的恒星发生超新星爆炸产生的遗迹，于 1054 年被天文学家记录，是有史以来研究最为彻底的天体之一。

如果更近距离地观察它，人类可能会弄清楚它是如何爆炸的。

因为两种可能的爆炸机制都会留下一些特征：

在每种情况下，铁与稳定镍的比例不同，以及铁在恒星喷出的物质中的分布不同。

由于蟹状星云有一个非常复杂的电离结构，Temim 团队需要确保对不同元素的测量来自遗迹中相同的地方。

而目前只有 JWST 拥有足够的分辨率。

5. 像地球这样的行星从哪里获得水？

人类很幸运，居住在一个有着海洋、湖泊、河流和瀑布的绿色星球。

但是，基于人类对太阳系的了解，地球在形成初期并不是蓝色的。

大约在 45 亿年前，当地球从一场由气体和尘埃组成的大漩涡中诞生时，它处于太阳的“雪线”之内，在这个半径之外，温度低到所有的水都结成了冰。

而当时太阳释放的能量比现在更多，辐射压会把任何接近地球的水蒸气都推到“雪线”之外。

因此，在那时，形成地球的物质并不含任何水。

“所以地球上的水一定来自某个地方。” 太空望远镜科学研究所（STScI）Isabel Rebollido 说。

有行星科学家认为，地球上的水可能是后来由小行星或彗星在被称为“晚期重轰炸”（后期重轰炸期）带来的，气体巨星行将冰代入了太阳“雪线”内。

Rebollido 将使用 JWST 观察 5 个处于类似演化阶段的系外行星系统。

“人类在行星系统内部区域探测到的气体，一种可能的解释是，从外部区域进来的固体、冰冷的天体正在蒸发。”

6. 最有希望的系外行星能否孕育生命？

几个世纪以来，关于地球以外行星上的生命前景一直吸引着人类。

如今，人类可以通过在系外行星大气层中寻找“生物特征”，来达到寻找外星生命的目的。

如果存在某些分子组合，比如甲烷和二氧化碳，这些物质可以证明生命可能存在。

但是，首要条件是得有大气层。

人类利用凌日时间变分法来描述系外行星大气层的构成：

当一颗行星经过其主星前方时，其大气中的各种分子与来自恒星的光相互作用，同时发射或吸收特定波长的红外辐射，形成范围内的“分子指纹”。

JWST 上的光谱仪对这些“指纹”十分敏感，它可以识别可涉范围内存在的分子。

“JWST 将会带来彻底的革命，因为目前哈勃和斯皮策太空望远镜的波长范围相对有限，人类无法测量宇宙的太多东西。” 亚利桑那大学 Megan Mansfield 说。

为了使凌日法起到作用，来自行星大气层的信号必须与来自恒星的更亮的信号相一致。

即使 JWST 拥有前所未见的功能，也只有在一些特定的行星上才有发现的拥有生命体征的可能。

不过幸运的是，这样一来，人类的视野中就会清晰地出现一组特别吸引人的系外行星。

Trappist 1 是人类在 2016 年发现的 7 颗岩石行星的集合，拥有比人类所知的任何其他系统都多的能够维持液态水的行星。

“但有一个头疼的问题，我们并不知道特 Trappist 1 或任何其他围绕 M 型红矮星运行的行星体系能否保留它们的大气层足够长的时间，来供给生命体发育成长。”Mansfield 说。

这是因为 M 型红矮星最初形成时，要比太阳等恒星更为活跃，它们抛出的大量高能辐射可能会将行星上的大气层剥离下来。

因此，为寻找外星生命，JWST 需要解决的关键问题之一，就是确定 M 型红矮星周围的系外行星是否有大气层。

约翰霍普金斯大学 Kevin Stevenson 将对围绕最近的 M 型红矮星运行的 5 颗陆地系外行星进行观测，其中包括 Trappist 1 中的一颗。

“如果这 5 颗行星中没有一颗有大气层，这就说明大气层在 M 型红矮星-行星系统中是十分罕见的。”Stevenson 说，“我们应该着手观察围绕其他类型恒星运行的行星。”

“另一种结果就是检测到了大气层，那就说明我们有了充分的候选者来进行更进一步的跟进。但即便情况如此，是否能够通过 JWST 准确检测到外星生命的微弱迹象，还有待观察。这很大程度上取决于仪器的性能。”

7. 宇宙膨胀率是否破坏了我们最好的宇宙学模型？

我们生活在一个不断膨胀的宇宙中，不同星系以哈勃常数的速度相互远离。

这可以通过确定到遥远天体的距离来直接测量，也可以通过结合对早期宇宙的观测和人类关于宇宙演化的最佳理论来间接测量。

但问题是，两个测量结果并不一致。

在目前的宇宙学模型中，人类假设宇宙是由辐射、物质（包括暗物质）和暗能量组成的，暗能量被认为是宇宙膨胀的原因。

宇宙学家从大爆炸的遗迹辐射中获取数据，并将其输入模型中，从而估算出宇宙的膨胀速率。

但是，当天文学家通过对遥远物体的观测来测量哈勃常数时，得到了不一样的结果。

这种差异被称为哈勃张力，或许会说明人类对宇宙演化的理解存在严重的错误。

但是，标准的宇宙学模型是非常成功的，它囊括了所有的观测结果，所以人类只有得到一个非常具有说服力的理由才能抛弃它。

而 JWST 有望解决这一争论。

JWST 拍摄的更清晰的图像将有助于区分造父变星对邻近恒星的贡献。

此外，更高的灵敏度将使人类能够在更遥远的星系中看到造父变星。

图｜造父变星是测量宇宙的关键

德国慕尼黑工业大学 Sherry Suyu 通过研究类星体闪烁现象，来试图回答这一问题。

当 JWST 和类星体之间有一个巨大的物体时，比如另一个星系，它的引力就会像一个透镜一样，在 JWST 中产生类星体的多个图像。

在不同的图像中，类星体的闪烁会有延迟，因为由于透镜效应，每个图像都有不同的光路，而这些延迟不仅与类星体的距离有关，还与透镜星系的引力势有关。

通过 JWST，Suyu 团队将测量透镜状星系中恒星的速度，从而了解其质量分布——因此，在从类星体闪烁时间延迟估计哈勃常数时，更好地修正其引力势，这是天文学家使用的另一种方法。

如果距离测定方法对哈勃常数达到相同的值，则天文测量是具有鲁棒性的。

如果它们与宇宙学模型中的哈勃值一致，那么张力就会消失。

如果人类真的证明标准模型有效，那将是一个非常重要的结果。

如果天文测量仍然不同于宇宙学模型呢? “如果这被证明是一种新的物理学，那将是非常有趣的。” Suyu 说。

如今，即使天文学家们在 JWST 的第一个观测周期中确切地知道他们将看到什么，但他们仍然为可能会看到一些意想不到的东西而感到兴奋。

每当一种新的仪器打开一个新的观测窗口，它就会创造出无限的可能性。JWST 也不例外。

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

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