哈勃拍攝了它所能看到的最古老星系的照片，但詹姆斯·韋伯空間望遠鏡可以追溯更遙遠的宇宙曆史。
圖檔來源：nasa
有人将美國航空航天局（nasa）的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（james webb space telescope）稱為“吞噬天文學的望遠鏡”（telescope that ate astronomy）。它是有史以來最強大的空間望遠鏡，也是突破人類工程學極限的複雜機械産物。經過多年的延期和數十億美元的成本超支，韋伯望遠鏡計劃于2021年12月18日發射進入軌道，引導我們進入下一個天文學時代。
關于宇宙的一些最重大的問題仍懸而未決，它們與大爆炸之後的早期宇宙曆史有關。第一個恒星和星系是什麼時候形成的？它們哪一個更先出現？原因又是什麼？天文學家可能很快就能揭開星系誕生的故事，因為詹姆斯·韋伯空間望遠鏡就是專門為回答這些問題而建造的，這一點令人興奮不已。
這張示意圖顯示了宇宙是如何随時間而發展的。在恒星或星系發出任何光之前，宇宙經曆了一段被稱為“黑暗時期”的日子。
圖檔來源：空間望遠鏡研究所（space telescope institute）
圖檔漢化：哇喳
宇宙的“黑暗時期”（dark ages）
已有充分的證據表明，宇宙始于138億年前的一次大爆炸事件，當時它處于超高溫、超緻密的狀态，在大爆炸之後，宇宙立即開始膨脹，然後冷卻下來。大爆炸之後的1秒，宇宙的直徑約為一百萬億英裡，平均溫度達到令人難以置信的180億華氏度（100億攝氏度）；大爆炸後大約40萬年，宇宙直徑變成了大約1000萬光年，溫度也冷卻到了5500華氏度（3000攝氏度）。假如這時候有個人站在旁邊看宇宙，它就像一盞巨大的加熱用暖燈一樣，發出暗紅色的光芒。
在這段時間裡，太空中滿是高能粒子、輻射、氫和氦的混沌狀态，還不存在任何結構。随着不斷的膨脹，宇宙變得越來越大、溫度越來越低，混沌的“湯”被稀釋開，一切都變成了暗淡的黑色：這是天文學家所說的宇宙“黑暗時期”的開始。
在“黑暗時期”，宇宙并不是完全均勻的，在引力的作用下，微小的氣體區域開始聚集在一起，變得更加密集起來。光滑的宇宙變得凹凸不平，而這些密度較大的一簇簇小小的氣體區域，則是最終形成恒星、星系和宇宙中其他一切天體的種子。
“黑暗時期”的宇宙幾乎看不到什麼實質性的東西，但它是宇宙演化的一個重要階段。
這張圖顯示了不同波長的光對應的物體大小，來自早期宇宙的光到達地球時處于紅外波長，也就是擁有比紅光更長波長的光。
尋找宇宙的第一道光
在引力的作用下，當第一批恒星和星系形成并最終發射出了第一道光時，“黑暗時期”就結束了。目前，天文學家還不知道第一道光是何時出現的，但最符合觀測結果的猜測是在大爆炸之後的數億年，此外，恒星和星系究竟誰更先形成也還是一個未解之謎。
天文學家認為，宇宙由暗物質主導，目前基于引力如何在宇宙中形成結構的理論表明，首先形成的可能是像恒星和星團這張的小型結構，它們後續進一步成長形成矮星系（dwarf galaxy），然後是更大的星系，比如銀河系。與如今的恒星相比，宇宙中這些最初的恒星更為極端，它們的亮度要高出上百萬倍，但壽命很短；它們熾熱而明亮，死後留下高達約100倍太陽品質的黑洞，而這些黑洞則可能是星系形成的種子。
天文學家很想研究這個迷人而重要的宇宙時期，但第一道光的探測卻極具挑戰性。與如今巨大而明亮的星系相比，最初的一切都非常之小，而且由于宇宙在不斷膨脹，它們現在位于地球數百億光年之外的某處。此外，最早的恒星被它們形成時留下的氣體包圍，這種氣體就像迷霧一樣吸收了大部分的光；輻射花了數億年時間才将迷霧吹散，這種早期的光在到達地球時信号極為微弱。
但這還不是唯一的挑戰。
随着宇宙的持續膨脹，它不斷拉伸着這些穿過它的光，使其波長不斷變大。這種現象被稱為紅移（redshift），因為它将較短波長的光（比如藍光或白光）變成了較長波長的光（比如紅光或紅外光）。
當130億年前早期恒星或星系發出的光被地球上的某台望遠鏡觀測到時，它已經被宇宙膨脹拉伸了10倍，以紅外光的形式到達，這意味着它的波長比紅光還長。要想觀測到宇宙的第一道光，就必須尋找紅外信号。
望遠鏡就像一台時光機
我們即将進入詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的時代。
望遠鏡就像是時光機，如果一個天體距離我們一萬光年，這意味着光需要跋涉一萬年才能到達地球。是以，天文學家在太空中觀測得越遠，所觀測的曆史也就越久遠。
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡專為探測宇宙中最古老的星系而設計。
圖檔來源：nasa/噴氣推進實驗室-加州理工學院
工程師對韋伯望遠鏡進行了優化，讓它能檢測到最早的恒星或星系發出的微弱的紅外光信号。與哈勃空間望遠鏡相比，詹姆斯·韋伯的相機視野擴大了15倍，收集的光信号數量增多了6倍，傳感器也被調整成了對紅外光最敏感的狀态。
觀測計劃将是讓韋伯望遠鏡長時間凝視某一片天空，從最遙遠和最古老的星系中收集盡可能多的光和資訊。有了這些資料，就有可能回答“黑暗時期”是在何時以何種方式結束的，它們還有望做出許多其他重要的發現，例如，揭開“黑暗時期”的懸疑故事也可能有助于解釋暗物質的性質，這種神秘的物質形式占據了大約80%的宇宙品質。
詹姆斯·韋伯望遠鏡是nasa嘗試過的技術難度最高的一項任務，它可能有助于回答的科學問題是值得它背後的每一分努力的，天文學家們正在興奮地等待着，等待在2022年的某個時候，資料開始傳回。
本文作者為亞利桑那大學（university of arizona）傑出天文學教授克裡斯·因佩（chris impey）。
參考來源：https://theconversation.com/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of-the-universe-169603