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韋伯望遠鏡發現:宇宙的第一批星系,品質只有銀河系的幾十分之一
2023/08/03

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現代天文學告訴我們,宇宙起源于138億年前的一場 奇點大爆炸

爆炸瞬間誕生了空間和時間,隨后物質迅速擴張,在上千萬年間的時間里逐漸冷卻下來,它們合成了各種基本粒子,又在之后的數億年內緩慢演變,直至出現第一顆恒星,形成第一個星系。

它們的歷史距離我們過于遙遠,不過現代科技的加持能夠讓我們從遙遠的深空中 窺見一二,那麼人類找到宇宙中第一批閃耀的原始星系了嗎?

它們距離太陽系有多遠?

韋伯望遠鏡或許能告訴我們答案。

近日,從美國宇航局傳來消息,韋伯望遠鏡發現了兩個宇宙大爆炸之后形成的第一批星系。根據估算,這兩個星系大約形成于宇宙誕生后3.5億年和4.5億年,成為了目前為止人類找到的最古老的星系。

第一個星系來自于巨型星系團Abell 2774的外圍區域,第二個是紅移值約為12.5的星系GLASS-z12,它們的品質都非常小,只有銀河系的幾十分之一,但卻十分遙遠且古老。

光的速度有限,天體距離我們越遙遠,它們的光抵達地球所需的時間就越長,因此當我們利用望遠鏡觀望宇宙深處時,實則是在觀望宇宙過去的歷史,我們想知道,

宇宙誕生時究竟發生了什麼?

上世紀三十年代,美國天文學家艾德溫.哈勃在觀測河外星系時,發現絕大多數星系都在光譜中展現了明顯的紅移特征。

紅移是特征是波的一種特殊效應,無論是聲波也好光波也罷,它們都具有多普勒效應。即當物體靠近觀測者時,波長變短,頻率會升高,反之當物體遠離觀測者時,頻率就會降低,同時波長變長。

物體運動的速度越快,多普勒效應就越明顯。

在可見光中,紅色的頻率最低波長最長,藍色的頻率最高,波長也就最短。

因此,當哈勃發現了星系的紅移特征時,就說明這些星系都在遠離地球,并且越遠的速度越快,起初他以為只是星系在快速移動,後來人們發現是物質所在的空間不斷膨脹。

倒推歷史,這說明宇宙間的物質在某一個時間點前是凝聚在一起的。

由此就得到了宇宙大爆炸理論,即宇宙由一場奇點爆炸誕生,-但我們無法得知奇點狀態,光子在在爆炸發生后38萬年內無法自由飛行,所以目前來說科學家對大爆炸時的初期狀態其實是一無所知的。

大爆炸后的1036秒左右宇宙發生了暴漲,即在極短的時間內,宇宙從一個點以超光速擴張到了極大的范圍,我們同樣也無法得知這一過程究竟是怎樣發生的,只能寄希望于看到更遠,更古老的天體,比如GLASS-z12,它看起來似乎是從未謀面的第一代恒星。

宇宙形成之初,氫元素占了宇宙物質總量的92%左右,其次是氦元素占了8%, 最后不到1%的部分由鋰元素組成,可以看出來,最初宇宙間的金屬元素非常稀少,這也就決定了第一代恒星的金屬豐度會非常低。

而我們現在能夠看到的絕大多數恒星都擁有較高的金屬豐度,和第一代恒星已經截然不同。

并且宇宙中物質密度較高,在這種情況下,恒星的品質也會比現在大很多。而大品質恒星內部的氫氦核聚變更加強烈,導致氫燃料消耗的速度就更快,壽命更短,有些只有千萬甚至百萬年的時間。

這就使得我們目前很難在宇宙中找到第一代恒星。

GLASS-z12在光譜中異常明亮,科學家猜測它有可能就是第一代恒星。也有部分人認為可能是GLASS-z12的品質比較大, 所以才展現了異常明亮的光譜,要進一步確定細節,還需要韋伯望遠鏡繼續觀測。

古老的星系往往距離地球很遙遠, 而距離我們越遠的星系遠離地球的速度就越快,所以從那里而來的光在空間膨脹的過程中逐漸從可見光被拉長到紅外光,這時要觀察到它們的難度不亞于在近地軌道找地球表面的一個硬幣。

為了完成這類艱巨的任務,韋伯望遠鏡付出了不少的努力。

負責在紅外波長觀察宇宙的是中紅外儀器,它具有極高的靈敏度,能夠捕捉到遙遠深空中的微弱熱量。不過望遠鏡自身儀器就會散發熱量,要保持高靈敏度就必須降溫,于是韋伯望遠鏡被設計在了位于地球100萬英里的拉格朗第二日點,隱藏在行星和巨大的遮陽板后。

經過精心設計,此時韋伯望遠鏡自身的溫度已經能夠保持恒定在零下223攝氏度。不過還不太夠,中紅外儀器需要更低的溫度。

因此韋伯望遠鏡安裝了一個低溫冷卻器, 低溫冷卻器更像是一個復雜的冰箱,制冷劑在管道系統中冷卻,然后通過儀器泵傳送以保持低溫。

實際運行時,韋伯望遠鏡的溫度只有零下266攝氏度,只比絕對零度高了7攝氏度,韋伯望遠鏡不是首個停在拉格朗第二日點的探測器,但卻是人類有史以來最強大的宇宙之眼。

如果想知道深空中有什麼, 那就讓韋伯望遠鏡朝那里看看吧。

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