宇宙时间机器：韦布太空望远镜看见宇宙首批星系

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原文作者：Sara Webb

翻译：牟新翔

校对：陈晓倩

排版：李子琦

后台：李子琦 胡永葳 李鸣晨

https://www.space.com/how-the-james-webb-space-telescope-lets-us-see-the-first-galaxies

两周前NASA发布了韦布望远镜拍摄的首批宇宙照片，震惊了全世界！这是人类目前获得的最为清晰的深空照片。

韦布太空望远镜拍摄的南环星云（NASA/JWST）

此文章最初在The Conversation上发布，经授权由Space.com发布。

那真是激动人心的几天，韦布太空望远镜（JWST）给宇宙拍摄的震慑人心的照片，让我们有机会看到超过130亿年前遥远模糊的星系。

现在就让我们坐下来欣赏这几张带我们前往宇宙深处的头等舱机票，看看它们如何做到让我们回顾过去。

这些图像还提出了一些有关宇宙的膨胀影响我们在宇宙尺度上计算距离方式的新观点。

这张SMACS0723深场图像的曝光时间仅有12.5小时，其中的暗淡星系在超过130亿年前就发出了这些光。（图源：NASA、欧空局、加拿大国家航天局与太空望远镜科学研究所）

现代时光之旅

观测过去可能听起来是个奇怪的概念，但这正是天文研究者们的日常工作。

我们的宇宙也受物理规则的限制，其中之一就是光的传播。当我们说“光”的时候，我们其实指的是所有波长范围的电磁波，都以约每秒30万公里的惊人速度传播。

光的传播速度如此之快，让我们觉得日常生活中光的传播似乎不需要时间。即使以如此惊人的速度，在宇宙间任意穿行仍然要花上一些时间。我们看向月亮时，实际上看到的是它1.3秒前的样子。这只是一眨眼之前，但它仍然属于过去。太阳光也是如此，唯一不同的是太阳表面发射的光子在最终到达地球之前要走八分多钟。

我们银河系的直径超过十万光年，而在韦布太空望远镜所摄船底座星云图像中看到的这些美丽新生恒星距离我们7500光年。换句话说，这张照片中被拍到的的星云比古代美索不达米亚文明发明的有史以来第一个文字还早2000年。

船底座星云是恒星的摇篮（图源：NASA、欧空局、加拿大国家航天局与太空望远镜科学研究所）

每当我们从地球上望向远处，我们都是在看过去发生过的事。这对天文学家来说是一种超能力，因为我们可以利用观察到的贯穿古今的光来试图解开我们宇宙的奥秘。

韦布太空望远镜的杰出之处

太空望远镜可以让我们看到某些无法穿过地球稠密大气层的波长范围的光。哈勃太空望远镜的设计和优化是为了同时观测电磁光谱的紫外线和可见光部分。

而韦布太空望远镜设计用于观测范围很广的红外波段。这是该望远镜可以比哈勃望远镜看得更远的一个关键原因。

哈勃和韦布的电磁频谱范围。哈勃望远镜经过优化，可以看到更短的波长。这两个望远镜相互补充，给我们展示了一个更完整的宇宙图景。图源：NASA、J.Olmsted（太空望远镜科学研究所）

星系所发射光的波长范围比较广，涵盖从伽马射线到无线电波的一切电磁波谱。所有这些都为我们提供了有关星系中各种物理现象的重要信息。

当星系距我们较近时，它们的光自发射以来没有发生太大的变化，我们可以研究非常广的波长范围，以了解星系内部的动态。

但当星系距我们非常遥远时，我们就不再能享受这般待遇了。正如我们现在所观测到的，由于宇宙膨胀，来自最遥远星系的光会被拉伸到更长更红的波长。

这意味着，在刚发射时本来在肉眼可视波长范围内的一些光，随着的宇宙膨胀，已经失去了能量。这些光现在处于一个完全不同的电磁频谱区域。这种现象被称为“宇宙学红移”。

这就是韦布真正厉害的地方。韦布能观测的红外波长范围很广，这使它能够看到哈勃从未见过的星系。将这一功能与韦布的巨大镜面和卓越的像素分辨率相结合，我们就拥有了已知宇宙中最强大的时间机器。

光龄并不等于距离

使用韦布太空望远镜，我们将能够观测到宇宙大爆炸仅一亿年后诞生的古老星系，而大爆炸发生在大约138亿年前。

也就是说，我们将能够捕捉到137亿年前的光。接下来可能会比较烧脑的一点就是，那些星系离我们的距离并非137亿光年。时至今日，我们到这些星系的实际距离约为460亿光年。

这个差异都要归功于膨胀的宇宙，它让大尺度下的工作变得格外复杂。

宇宙因一种叫做“暗能量”的东西而膨胀。暗能量被认为是一个宇宙常数，在时空的不同区域中起着同等的作用。

宇宙膨胀得越多，暗能量对其膨胀的影响就越大。这就是为什么尽管宇宙有138亿年的历史，但实际上它的直径约为930亿光年。我们看不到暗能量在星系尺度（银河系内）上的影响，但我们可以在更大的宇宙距离上看到它。

驻足欣赏

我们生活在一个科技日新月异、高速发展的时代。就在100年前，我们还不知道在我们的星系之外还有星系。现在我们估计河外星系有万亿只多，数不胜数。

在可预见的未来里，韦布太空望远镜每周都将带领我们踏上穿越时空的旅程。

责任编辑：周学云

牧夫新媒体编辑部

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图片来源及版权：Ruslan Merzlyakov (astrorms)

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