這7個宇宙大謎題，史上最強太空望遠鏡能回答嗎？

值得期待。

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 將發布其第一批全彩照片，揭開天文學新紀元的序幕，這是 JWST 首次專門為用於科學發現的任務進行觀測。

經過數年的拖延和數月的測試，作為有史以來最強大的太空望遠鏡，JWST 終於准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。

也就是說，JWST 在地球-太陽連線上地球背後的 150 萬千米處繞 L2 以暈輪軌道運行，而不是繞近地軌道公轉。因此，JWST 可以收集到來自更微弱、更遙遠的恆星和星系的光——這些光在膨脹的宇宙中旅行了數十億年後被拉伸成紅外線。

相比於哈伯太空望遠鏡，JWST 擁有更高的紅外分辨率和靈敏度，可以看到更多有關宇宙的細節，它帶有的近紅外光譜儀或許可以表徵“潛伏”在可能宜居的系外行星大氣中的分子。

JWST 的最新發現，有助於人類解開宇宙中的一些最大謎題，比如第一顆恆星是如何形成的、超大質量黑洞的起源是什麼，以及最有希望的希外行星能否孕育生命。

一個即將被回答的問題是，JWST 將如何改變人類對宇宙的認識。

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

第一顆恆星是在何時何地形成的？

超大質量黑洞的起源是什麼？

暗物質是冷的嗎？

大質量恆星如何變成超新星？

像地球這樣的行星從哪裡獲得水？

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模型？

在不改變文章原意的前提下，學術君對原文進行了精心的編譯。

1. 第一顆恆星是在何時何地形成的？

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

這一時期的物質，要麼是既不發光也不反光的暗物質，要麼是中性的氫氣和氦氣。

之後，經過了幾億年的時間，氣體開始聚合，形成了恆星，就有了光。

第一批恆星發出的輻射把周圍的中性氣體電離。

當再電離時期（epoch of reionisation）結束，宇宙從一個同質化的“原始湯”變成了一個高度結構化的“排列”，有了星系、恆星，甚至還可能出現了行星。

這是我們知道的。

但我們並沒有真正觀察到這一切的發生。

羅切斯特理工學院天體物理學家 Jeyhan Kartaltepe 使用 JWST 進行了長達 256 小時的宇宙觀測，以回答關於“宇宙黎明”的一系列廣泛問題。

最早的恆星是什麼類型的？它們是在什麼樣的星系中形成的？再電離發生的時間有多早？持續了多長時間？

“用哈伯太空望遠鏡觀測到的原始星系，只是圖像上的一個模糊不清的點，你只能知道它有多亮，僅此而已。” Kartaltepe 說。“現在，JWST 可以觀測到星系內恆星的質量，並解析出結構，可以瞭解更多（細節）。”

不久之後，Kartaltepe 團隊或將使人類對再電離時期有一個全面的認識。

人類通過觀察“紅移”（red shift）來測量深空物體間的距離：即它們發出的光在不斷膨脹的宇宙中穿行數十億年，到達地球之前，被拉伸並變得更紅的程度。

宇宙的黎明，被認為是在紅移為 10 左右時開始的，當時的宇宙大約已經有 5 億年的歷史。

但是，來自哈佛大學的 Rohan Naidu 卻認為，人類可能會找到證據，來證明第一批恆星是在一個電離泡（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）看到第一批恆星，”Naidu 說。

2. 超大質量黑洞的起源是什麼？

黑洞是時空中密度極高、扭曲變形的區域，具有極強的引力，連光都無法逃脫。

有一些黑洞是在大質量恆星坍縮時產生的，質量為太陽質量的幾倍，甚至上百倍。

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

這類黑洞在吸積質量和發射強大的噴流時，會破壞周圍的一切，從而塑造星系的演化。

在天體物理學中，最令人困惑的觀測之一是：

人類觀測到的超大質量黑洞已經有數十億個太陽的質量，而宇宙的年齡還不到 10 億年。

即使這些黑洞通過吞噬恆星和氣體以指數級增長，它們最初的質量也一定有數千個太陽那樣大。

根據現有的黑洞形成和增長的模型，人類並不知道超大質量黑洞是如何形成的。

為此，理論學家提出了兩種假說。

第一種假說是，超大質量黑洞源於大質量氣體雲的坍縮，要麼直接坍縮成超大質量黑洞，要麼坍縮成大質量恆星，然後坍縮成黑洞。

而第二種假說認為，密集的星團相互融合，變得越來越大，最終形成了超大質量黑洞。

為進一步瞭解超大質量黑洞，天文學家 Xiaohui Fan 將觀測由黑洞產生的遙遠類星體。

當氣體高速盤旋進入這些黑洞時，會發射出巨大的粒子和輻射噴流，明亮的類星體就產生了。

Fan 的團隊將觀察目標鎖定為人類已知的三個最遙遠的類星體。

他們將測量氣體和塵埃盤旋進入黑洞的速度，進而直接探測這些類星體的質量，再結合光度的測量，就可以算出黑洞吸積物質的速率。

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

盡管不能解釋超大質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。

最大質量的黑洞存在於最大質量的星系中。但哪一個先出現，誰生成了誰，這是一個宇宙學上的“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出的恆星光，描述它們的年齡，進而瞭解恆星和星系相對於黑洞形成的時間。

3. 暗物質是冷的嗎？

暗物質是一種神秘的物質形態，人類只能從它的引力效應來推斷它的存在。

盡管人類認為暗物質大約佔到宇宙所有物質的 85%，但卻不知道它是由什麼粒子組成的（如果它真的是由粒子組成的）。

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

在人類目前關於宇宙演化的認知中，暗物質幫助塑造了宇宙，因為“暗物質暈”吸引了氣體，而氣體聚集、坍縮形成了恆星和星系。 暗物質暈的大小不一，小到只有地球般大小，大到有太陽質量的千萬億倍大。

當暗物質暈的質量小於 1000 萬倍太陽質量時，它們無法吸引足夠的氣體來形成星系，而是以暗物質“小口袋”的形式存在。

因此，在這種假設下，人類可能被許多這種較小的暗物質暈包圍著。

加州大學默塞德分校 Anna Nierenberg 團隊將通過觀察類星體來驗證這一假設，並進一步驗證“暗物質是冷的”這一觀點。

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暈的引力而彎曲，進而發生偏轉，在太空望遠鏡中產生重復的圖像。 對於人類而言，探測到這些微小的暗物質暈將是一個巨大的成功。

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

4. 大質量恆星如何演變成超新星？

星體都會消亡，像太陽般大小的恆星會相對平靜地滅亡。

大質量恆星會在極為壯觀的劇烈爆炸中消逝，形成核心坍縮超新星，並向周圍釋放巨大的能量。

爆炸產生的沖擊波會加熱並電離周圍物質，導致新一代恆星的形成。

超新星還會釋放出各種各樣的化學元素，形成的氣體雲會創造類似地球的行星。

但是，人類並不知道大質量恆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，一顆恆星有一個由氧、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，這是量子力學定律的結果，即它們不可能佔據相同的能態。

如果核心變得過於密集，氖原子和鎂原子的原子核就會吸收它們的電子，發生電子捕獲反應。壓力下降，恆星外層的引力坍縮，爆炸發生。而在鐵核坍塌模型中，恆星內部形成了一個鐵核。

由於鐵是一種非常穩定的元素，不能聚變成其他元素並釋放能量，核反應不能再平衡重力，導致坍縮和爆炸。恆星爆炸時，人類不可能觀察到恆星內部發生了什麼。

但是，普林斯頓大學 Tea Temim 將利用 JWST 更近距離地觀察蟹狀星雲，以瞭解更多細節。

圖｜蟹狀星雲，超新星爆炸的遺跡

蟹狀星雲是一顆 8-10 倍太陽質量的恆星發生超新星爆炸產生的遺跡，於 1054 年被天文學家記錄，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制都會留下一些特徵：在每種情況下，鐵與穩定鎳的比例不同，以及鐵在恆星噴出的物質中的分佈不同。

由於蟹狀星雲有一個非常復雜的電離結構，Temim 團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裡獲得水？

人類很幸運，居住在一個有著海洋、湖泊、河流和瀑布的綠色星球。

但是，基於人類對太陽系的瞭解，地球在形成初期並不是藍色的。

大約在 45 億年前，當地球從一場由氣體和塵埃組成的大漩渦中誕生時，它處於太陽的“雪線”之內，在這個半徑之外，溫度低到所有的水都結成了冰。

而當時太陽釋放的能量比現在更多，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，形成地球的物質並不含任何水。

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

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

Rebollido 將使用 JWST 觀察 5 個處於類似演化階段的系外行星系統。

“人類在行星系統內部區域探測到的氣體，一種可能的解釋是，從外部區域進來的固體、冰冷的天體正在蒸發。”

6. 最有希望的系外行星能否孕育生命？

幾個世紀以來，關於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“生物特徵”，來達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成：當一顆行星經過其主星前方時，其大氣中的各種分子與來自恆星的光相互作用，同時發射或吸收特定波長的紅外輻射，形成范圍內的“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 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恆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現的擁有生命體征的可能。

不過幸運的是，這樣一來，人類的視野中就會清晰地出現一組特別吸引人的系外行星。

Trappist 1 是人類在 2016 年發現的 7 顆岩石行星的集合，擁有比人類所知的任何其他系統都多的能夠維持液態水的行星。

“但有一個頭疼的問題，我們並不知道特 Trappist 1 或任何其他圍繞 M 型紅矮星運行的行星體系能否保留它們的大氣層足夠長的時間，來供給生命體發育成長。”Mansfield 說。

這是因為 M 型紅矮星最初形成時，要比太陽等恆星更為活躍，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 Kevin Stevenson 將對圍繞最近的 M 型紅矮星運行的 5 顆陸地系外行星進行觀測，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-行星系統中是十分罕見的。”Stevenson 說，“我們應該著手觀察圍繞其他類型恆星運行的行星。”

“另一種結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行更進一步的跟進。但即便情況如此，是否能夠通過 JWST 准確檢測到外星生命的微弱跡象，還有待觀察。這很大程度上取決於儀器的性能。”

7. 宇宙膨脹率是否破壞了我們最好的宇宙學模型？

我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中，不同星系以哈勃常數的速度相互遠離。

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

但問題是，兩個測量結果並不一致。在目前的宇宙學模型中，人類假設宇宙是由輻射、物質（包括暗物質）和暗能量組成的，暗能量被認為是宇宙膨脹的原因。

宇宙學家從大爆炸的遺跡輻射中獲取數據，並將其輸入模型中，從而估算出宇宙的膨脹速率。

但是，當天文學家通過對遙遠物體的觀測來測量哈勃常數時，得到了不一樣的結果。

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重的錯誤。

但是，標准的宇宙學模型是非常成功的，它囊括了所有的觀測結果，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於區分造父變星對鄰近恆星的貢獻。此外，更高的靈敏度將使人類能夠在更遙遠的星系中看到造父變星。

圖｜造父變星是測量宇宙的關鍵

德國慕尼黑工業大學 Sherry Suyu 通過研究類星體閃爍現象，來試圖回答這一問題。

當 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，因為由於透鏡效應，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，還與透鏡星系的引力勢有關。

通過 JWST，Suyu 團隊將測量透鏡狀星系中恆星的速度，從而瞭解其質量分佈——因此，在從類星體閃爍時間延遲估計哈勃常數時，更好地修正其引力勢，這是天文學家使用的另一種方法。

如果距離測定方法對哈勃常數達到相同的值，則天文測量是具有魯棒性的。

如果它們與宇宙學模型中的哈勃值一致，那麼張力就會消失。如果人類真的證明標准模型有效，那將是一個非常重要的結果。

如果天文測量仍然不同於宇宙學模型呢?

“如果這被證明是一種新的物理學，那將是非常有趣的。” Suyu 說。

如今，即使天文學家們在 JWST 的第一個觀測週期中確切地知道他們將看到什麼，但他們仍然為可能會看到一些意想不到的東西而感到興奮。

每當一種新的儀器打開一個新的觀測窗口，它就會創造出無限的可能性。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/

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