詹姆斯•韦伯望远镜究竟会看到什么？

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美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将在2021年搭乘阿丽亚娜5型重型运载火箭发射升空，进入距地球大约160万公里的绕日轨道。这架望远镜的反射镜直径达到6.5米，将成为有史以来被送入太空的最大望远镜。韦伯能够对宇宙进行红外观测，捕捉最遥远的恒星和星系影像。在这架望远镜的帮助下，科学家将进一步窥探宇宙的秘密。
" X- k: L, m+ ?7 l8 Q詹姆斯·韦伯望远镜艺术概念图，哈勃太空望远镜的接班人
詹姆斯•韦伯太空望远镜的一大使命是观测宇宙的第一批星系，帮助科学家了解这些星系的形成以及与暗物质之间的关系。宇宙中的绝大多数物质都是不可见的（即暗物质），但其引力将包括星系在内的宇宙万物粘合在一起。通过研究这些星系，尤其是它们的形成，科学家能够获得重要线索，进一步揭示暗物质的运转机制。
天文学研究要比我们认为的复杂的多。在观测遥远星系时，科学家面临一系列挑战，其中一大挑战是如何穿透厚厚的尘云，以便看到它们的庐山真面目。不管你喜欢与否，尘云就在那里。庆幸的是，通过一些巧妙的模拟，科学家开始刺透尘云，还原星系的本来面目。
. J" t% ^" A; ?1 ?7 {) Y% d: j' U年轻恒星V1331 Cyg，最终将发育成与太阳类似的成熟恒星
宇宙诞生后几亿年，第一批星系开始形成。但迄今为止，我们尚无法获得这些星系的直接影像。原因很简单：它们距地球太过遥远，如果没有一架巨型望远镜，我们无法捕获它们的光线，也就无缘得见它们的真面目。由于距离太远再加上宇宙一直处于膨胀状态，首批星系的光线不再是可见光，而是红移到红外光谱。如果想对这些婴儿星系进行观测，我们需要一架大型红外望远镜。这也就是为什么科学家要研制詹姆斯·韦伯望远镜。
  G' i/ ^) S; x9 M韦伯望远镜并不是一台测量仪器，不会对大到不可思议的宇宙区域进行测绘。不过，这架望远镜能够为我们描绘130亿年前的宇宙肖像，尤其是那些遥远的早期星系的长相。星系的结构和构成取决于暗物质。无论是暗物质的数量、构成还是聚集方式，都会影响星系的形成。暗物质的特性影响星系的数量、亮度，甚至会影响星系会孕育出怎样的恒星。不过，暗物质的特性仍是一个未知数。
) h; y/ S& z& E8 @8 n7 G9 D2017年12月1日，德州休斯敦的约翰逊航天中心，美国宇航局的工程师与詹姆斯•韦伯太空望远镜合影留念
现在，科学家只能通过模拟去了解星系与暗物质之间的关系。这是因为我们尚没有大量直接的暗物质观测手段。就像名字暗示的那样，我们尚未完全清楚暗物质的构成。有时候，我们只能猜测，将这些猜测加入到宇宙演化的电脑模型，以便了解恒星、气体和尘埃等正常物质如何响应暗物质的影响并最终形成星系。
% a0 S# O; {& Q9 ^4 o' l通过将韦伯望远镜观测到的星系影像和统计数据与一系列电脑模拟进行比较，我们能够确定哪些情况最为匹配，进而找到准确度最高的暗物质模型。在此基础上，我们能够进一步了解宇宙，包括寻找引力的奇异模型和获得暗物质神秘特性的线索。
$ v  m1 Z% U0 |2018年3月8日，加州雷东多滩的诺斯罗普•格鲁曼公司，工作人员从特制的STTARS货箱运走韦伯望远镜的光学部件和科学仪器
" m. V* V( n2 [3 Q( {- H+ Z听起来简单直接，但事实并非如此。观测宇宙是一个极为复杂且难度极高的挑战，因为宇宙不只存在恒星、星系和暗物质，同时还存在很多干扰因素。宇宙中存在大量尘埃或者说尘云。宇宙尘埃由碳、氧和其它物质构成，在星系内、星系周围和星系之间不停旋转。换言之，星系际空间是一个非常混乱的所在，大量尘埃的存在会扰乱光线。
4 ^+ W4 I1 l9 L% `% n在穿行数十亿光年的距离，最终抵达韦伯望远镜过程中，遥远星系的光线会与大量尘埃发生交互。光线会因为尘埃的存在发生散射，强度削弱，同时还会发生红移。换句话说，如果我们想窥探这些年轻星系的模样，我们就不得不与一层“薄雾”打交道。只要有尘云存在，我们就永远无法获取早期宇宙的直接影像。
2 [& O$ K) U' N1 T5 E; |8 J+ n2016年10月14日，工程师和技术人员成功完成主镜的第一个重要测试——曲率中心测试。完成光学测试后，“韦伯”还要接受一系列严格的机械测试
不过，科学家还可以借助模拟，研究早期宇宙和首批星系。虽然是模拟，但使用的却是真实数据。这些数据并非来自于早期宇宙（因为我们尚未获取早期宇宙的数据），而是来自附近的宇宙区域。对我们所处的局部宇宙星系间尘埃的特性，科学家已经进行了相当详尽的测绘、观测和研究。这些数据随后输入到早期宇宙的电脑模拟，以尽可能准确预测韦伯望远镜可能看到的景象。这就像我们采集周围薄雾的样本，而后利用样本分析得出的数据推测一座遥远灯塔的模样。
: e/ x! ]" x% h) `  E  M* |. c2017年3月5日，戈达德太空飞行中心的航天器系统开发与集成设施，技术人员关闭无尘室的电灯，利用高亮手电和特殊紫外灯检查韦伯望远镜，以确定是否遭到污染
7 m* n. I+ ?, C# k* _* G8 q  v+ @( U最近，一支研究小组公布了一组名为IllustrisTNG的模拟结果。正如名字暗示的那样，这些模拟极其复杂，不仅涉及暗物质和星系形成，同时还模拟星系放射的光线穿过数十亿光年的尘埃，而后进入韦伯等观测设备的视野。
4 I8 y8 _3 K, q9 |, i6 s9 KIllustrisTNG模拟的主要目标是预测韦伯望远镜可能看到的景象。具体地说，就是在天文学家所说的星系光度函数的观测中，韦伯望远镜能够得出怎样的发现。通过研究星系光度函数，科学家能够推测每个亮度级别的星系数量，即多少明亮星系？多少中等亮度星系和多少暗淡星系？暗物质特性会影响星系光度函数。例如，如果暗物质成块分布，我们的宇宙将存在更多明亮星系，从而改变光度函数。
( ^: C- d0 C- ^0 BIllustrisTNG模拟项目的合成图像。左侧的插入图展示了星系之间的交互以及恒星光晕的细小结构。右侧插入图展示了两个大质量中央星系的恒星光线。很明显，大质量星系的光线“淹没”恒星光晕的光线
但光度函数本身也会受到尘埃影响，因为尘埃改变了所有星系发出的光线。这些模拟是科学家首次尝试描绘端对端图景，预测韦伯望远镜可能看到的景象或者说有关暗物质和星系形成的潜在观测发现。
$ y+ O# S4 n  ?% C4 C* z4 G. g% }IllustrisTNG只是一个开始。这些模拟涉及大量立基于现有观测数据的猜测和设想。等到韦伯望远镜真正服役，科学家将获取更多数据，从而进行更深入的研究和模拟，进一步窥探宇宙的秘密。
来源：漫步宇宙
) b1 m6 [( V) ]编辑：Quanta Yuan
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