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为什么我们急切地需要韦伯望远镜升空?

哈勃太空望远镜是我们人类目前最强大、最昂贵的观测设备之一。

“对于那些完全相信彼此的人来说,时间和地点的距离都不会减少他们之间的友谊。”——罗伯特·索西

哈勃太空望远镜是我们人类目前最强大、最昂贵的观测设备之一,人们曾经用它做过最神奇、也是最出乎意料的事情是,让哈勃对准了一小块看似空无一物的空间,连续观察曝光了几周的时间,如果什么都没有发现,这将是史上最大的资源浪费,毕竟哈勃再其服役期间的每分每秒都如此的珍贵。

但是我们在黑暗、空旷的空间发现了千上万个星系,从而得出结论:在整个可观测宇宙中有至少2000亿个星系。为我们提供了一个初步的下限值。那么哈勃的观测极限是什么?它为什么看不到无限远的星系?

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实际上,在宇宙中有一些星系非常遥远、模糊,哈勃几乎看不见它们。造成哈勃视野有限的两个原因有两个:

哈勃“只有”一个直径为2.4米的口径,这意味着它只能收集到这个口径下所能收集到的光子数量。即使曝光超过23天(这是有史以来在一个区域最长的曝光时间),也只能让哈勃在最远的距离上看到一些非常明亮的星系。

我们在宇宙中看得越远,任何物体发出的光就会越红。

在某种程度上,第二点其实也是一件好事!

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因为,当涉及到最年轻、最热、最亮的恒星时,它们发出的光大部分对人类来说并不是可见光,实际上是紫外线。随着宇宙的膨胀,随着星系之间的距离越来越远,宇宙的结构也随之膨胀。

这意味着存在于时空中的光子(从遥远的恒星和星系发射到我们眼前的单个光量子)也会发生红移,它们的波长会被宇宙本身的膨胀拉长。

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当我们看到一个明亮、遥远、红色的星系时,我们可以通过观察其颜色的相对亮度(蓝色、绿色、红色和近红外光)来估计它的红移,但这只是一个估计。如果我们想知道它真实的红移量,就需要测量一些更确定的性质。

毫无疑问,原子物理学,特别是原子的跃迁,在宇宙的任何地方都是一样的。如果我们能测量来自一个物体的发射光谱(或吸收光谱,这取决于星系的类型),并识别出存在的元素,我们就能根据哈勃定律直接计算出:

它的红移量,

它的距离,

以及其首次发出光时的宇宙年龄。

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就原子跃迁而言,任何恒星或星系中最强烈、最容易看到的发射线都来自氢原子的电子迁越,它们要么以紫外线(莱曼系)、要么是可见光(巴尔末系)或红外线(帕邢系系)进行跃迁。

但是这些发射线以及它们的波长是在这些星系的静止框架中计算出来的。当宇宙膨胀时,这些波长会发生巨大的红移。最强烈、最容易识别的跃迁,通常发生在121.567纳米的莱曼-阿尔法跃迁,在光谱上可以红移的非常远。

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测波长的公式是什么?用静止座标光谱中的波长乘以(1 + z),其中z是物体的红移。上图,在接近540纳米(上图的单位是埃)的莱曼阿尔法线(绿色的光)给我们的红移大约是3.4,也就是220亿光年的距离,它的光从宇宙只有19亿年的时候发出,也就是现在宇宙年龄的13%。

现在,我们看哈勃上最新最强大的相机,宽视场相机3 (WFC3)中的窄滤光片可以观察到最大波长接近1700纳米的光。

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基于此,从理论上讲,哈勃可以看到整个宇宙红移为12或13的星系,相当于宇宙年龄只有现在的3% !

但这是建立在这样的一个假设之上:哈勃在进行超深度观察时使用了红外滤光片,但哈勃本身并没有。而是使用宽场波段收集更多的光子,最长的波长在850纳米左右,接近900纳米。

事实上,当我们想深入地探索宇宙时,即使我们无法使目标物体达到像哈勃望远镜那样的分辨率或亮度,我们通常还是使用专用的红外太空望远镜,比如斯皮策!

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然后,我们需要通过地面上8到10米级望远镜的后续观测来确认这些候选者的光谱。在很长一段时间里,UDFj-39546284以惊人的红移量11.9保持着速度记录。像这样的星系对哈勃来说完全看不见。但是后续观察显示,有来自一个低红移星系的虚假发射线混淆了观测结果,这个11.9的红移量并不准确。

但是今天,我们有了一个新的记录保持者!

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EGSY8p7星系,新记录的红移为8.68,这是确认的星系中已知红移最高的天体。也就是说当这个星系的光首次发射出来的时候,宇宙只有5.7亿年的历史,而它现在距离我们约300亿光年,是迄今为止发现的最遥远星系的宇宙记录保持者。

但是像这样的星系实际上是哈勃望远镜所能到达的极限。哈勃所能看到的星系红移量不会超过8或9。但宇宙中可能有星系的红移远至15或20!

但我们还有希望。

为什么我们急切地需要韦伯望远镜升空?

虽然哈勃望远镜很难达到1微米的波长,但詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的灵敏度将一直达到30微米左右,比之前的任何望远镜都要高,分辨率更高,聚光能力是哈勃的6倍!

如果我们足够幸运的话,我们将能够看到,不是在现有望远镜技术的限制下发现的最远星系,而是发现宇宙所能提供的最远的星系。尽管哈勃很伟大,但它也有它的局限性。在超长波长射电天文学出现之前,JWST是我们找到最远星系的最佳方法,也是未来我们需要完成的一次天文学重大变革。

为什么我们急切地需要韦伯望远镜升空?

JWST预计会在2021年发射升空,届时我们将在可见宇宙中揭开未知世界的最后一幕。

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