宇宙时间机器：韦布如何让我们看到宇宙中的第一个星系

图片来源：NASA/JWST

过去的一两周里，詹姆斯 · 韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）发布了一系列令人惊叹的宇宙照片，让公众和科学家都领略了瑰丽的宇宙之美。像下面这样的图像，让我们终于有机会看到超过 130 亿年前的微弱的遥远星系。

"SMACS 0723" 星系团深场图像拍摄的曝光时间仅为 12.5 小时，拍到的是来自这一微弱星系在 130 亿年前发出的光。

图片来源：美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）以及美国空间望远镜科学研究所（STScI）

现在，我们到达了一个最佳时机，可以退后一步欣赏我们通往宇宙深处的头等舱门票以及这些图像让我们及时回顾过去的方式。

这些图像还提出了一些有趣的问题，即宇宙的膨胀如何影响我们在宇宙尺度上计算距离的方式。

现代时间旅行

回顾过去可能听起来像是一个奇怪的概念，但这是太空研究人员每天都在做的事情。

我们的宇宙为物理规则所约束，其中最著名的 " 规则 " 之一便是光速。当我们谈论 " 光 " 的时候，我们实际上指的是整个电磁光谱中所有波长的光，它们以 30 万千米 / 秒的速度在宇宙中传播。

光传播得如此之快，以至于在我们的日常生活中它几乎是瞬间的，然而，就算光的速度如此惊人，穿越宇宙的任何地方它都仍然须要花费一些时间。

当你看月亮时，你看到的实际上是它 1.3 秒前的样子，在时间上这只是不起眼的一瞥，但它仍然属于过去。太阳光也是如此，只不过从太阳表面发出的光子在最终到达地球之前，要花费 8 分多钟的时间。

我们所在的星系银河系，横跨了 10 万多光年。韦布望远镜拍摄的船底座星云（Carina Nebula）图像中，那些美丽的新生恒星距离我们 7500 光年，换句话说，我们所看到的图中的这个星云，在时间上比人们认为的文字出现的最早时间，也就是古美索不达米亚发明文字的时间，还要早了大约 2000 年。

船底座星云是恒星的诞生地。

图片来源：NASA、ESA、CSA 以及 STScI

每当我们离开地球时，我们都在及时地回顾宇宙过去发生的事情，这对天文学家来说是一种超能力，因为我们可以利用光穿越时间的长河，试图将我们宇宙的奥秘拼凑在一起。

是什么让韦布如此出类拔萃

天基望远镜可以让我们看到某些无法穿过地球稠密大气层的光，经过设计优化的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope），可以同时使用电磁光谱的紫外线（UV）和可见光部分对太空进行观测。

韦布望远镜旨在使用广泛的红外光，这是韦布可以比哈勃看到更早时间的一个关键原因。

哈勃和韦布使用的电磁波谱范围。哈勃望远镜经过优化后，可以看到更短的波长，这两个望远镜相辅相成，能让我们更全面地了解宇宙。

图片来源：NASA、J · 奥姆斯特德（STScI）

星系会发射一系列电磁波谱上不同波长的光，从伽马射线到无线电波，以及介于两者之间的所有波长。所有这些都为我们提供了有关星系中发生的不同物理学的重要信息。

当星系离我们比较近的时候，它们的光自发射以来并没有太大变化，我们可以对这些范围很广的波长的光进行探测，以了解星系的内部发生了什么。

但是当星系距离我们非常遥远时，我们就不再拥有这种奢侈了。正如我们现在所看到的，来自最遥远星系的光由于宇宙的膨胀而被拉伸到更长和更红的波长。

这意味着有一部分光在最初发射出来时对于人眼本来是可见的，但由于宇宙的膨胀，这些光在到达我们身边时已经失去了能量，落在了电磁频谱中一个完全不同的区域。这是一种称为 " 宇宙学红移 "（cosmological redshift）的现象。

这就是韦布真正厉害的地方。韦布望远镜可探测到范围宽广的红外波长，这让它能够看到哈勃望远镜无法看到的星系。这一功能与韦布巨大的镜面和出色的像素分辨率相结合，我们就拥有了宇宙中已知的最强时间机器。

光年不等于距离

使用韦布望远镜，我们将能够捕捉到极其遥远的星系，因为它们身处于大约 138 亿年前的大爆炸之后仅 1 亿年。

因此，我们将能够看到 137 亿年前的光，然而，你可能会被绕晕：这些星系如今到我们的实际距离并非 137 亿光年，而是大约 460 亿光年。

这种差异的存在完全是因为宇宙在不断膨胀，同时这也使得在宇宙研究在非常大的尺度上变得很棘手。

宇宙正因一种叫做 " 暗能量 "（dark energy）的东西而膨胀。它被认为是一个普遍存在的恒量，在时空（space-time，我们宇宙的结构）的所有区域中都同样起作用。

而宇宙膨胀得越大，暗能量对其膨胀的影响就越大，这就是为什么即使宇宙有 138 亿年的历史，它的直径实际上已经达到了大约 930 亿光年。

我们看不到暗能量在星系尺度（银河系内）的影响，但我们可以在更大的宇宙距离上看到它。

坐下来享受

如今的我们生活在一个非凡的科技时代，就在 100 年前，人类甚至还不知道在银河系之外还有别的星系。现在，科学家估计宇宙中存在数万亿个星系，我们的选择是在太多了。

在可预见的未来，韦布望远镜每周都会带我们穿越时空。