詹姆斯韋伯太空望遠鏡發射三年後，它教會了我們關於宇宙的知識

三年前的今天，我們見證了令人緊張的發射詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）是人類發射到太空的最大、最強大的望遠鏡。

JWST 花了 30 年的時間建造，但在短短三年的運作中，已經徹底改變了我們的宇宙觀。

它探索了我們自己的太陽系，研究了遙遠行星的大氣層以尋找生命跡象，並探測了最深處以尋找宇宙中形成的第一批恆星和星系。

以下是 JWST 自發射以來向我們介紹的有關早期宇宙的知識，以及它所揭示的新奧秘。

令人毛骨悚然的藍色怪物

詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 突破了我們在宇宙中尋找第一批恆星和星系的範圍。由於地球大氣層不礙事，它在太空中的位置為利用紅外光觀察宇宙深處提供了完美的條件。

目前由 JWST 確認的最遙遠星系的記錄可以追溯到宇宙大約只有3億年的歷史。令人驚訝的是，在這麼短的時間窗口內，這個星系成功形成了大約太陽質量的 4 億倍。

這表明早期宇宙中的恆星形成是非常有效的。而這個星系並不是唯一的一個。

當星系生長時，它們的恆星會爆炸，產生塵埃。星系越大，其塵埃就越多。這些塵埃使星系呈現紅色，因為它吸收了藍光。但問題是：JWST 已經證明這些最初的星系非常明亮、巨大非常藍，沒有任何灰塵的跡象。這真是一個謎題。

有許多理論可以解釋這些最初星系的怪異本質。它們是否有巨大的恆星，只是由於重力而塌陷，而沒有經歷大規模的超新星爆炸？

或者它們有如此大的爆炸，以至於所有塵埃都被推離星系很遠，露出藍色、無塵的核心？也許這些塵埃是由於這些早期奇異恆星的強烈輻射而被破壞的——我們只是還不知道。

藝術家對早期宇宙中藍色星系的印象。歐洲南方天文台/M。科恩梅塞爾。

早期的恆星是最終形成生命的關鍵組成部分。宇宙最初只有氫、氦和少量的鋰。所有其他元素，從我們骨骼中的鈣到我們呼吸空氣中的氧氣，都是在這些恆星的核心中鍛造的。

它們含有大量的氮，遠遠超過我們在太陽中觀察到的氮，而大多數其他金屬的含量較低。這表明早期宇宙中存在一些我們尚未完全了解的過程。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡表明，我們關於恆星如何驅動星系化學演化的模型仍然不完整，這意味著我們仍然沒有完全了解導致我們存在的條件。

利用巨大的星系團作為巨大的放大鏡，JWST 的靈敏相機也可以深入宇宙尋找最微弱的星系。

我們進一步尋找星系變得如此微弱、完全停止形成恆星的點。這有助於我們了解星系形成結束的條件。

JWST 尚未找到這個極限。然而，它發現了許多微弱的星系，遠遠超出預期，發射的高能量光子（光粒子）是我們預期的四倍以上。

這項發現顯示這些小星係可能在結束宇宙“黑暗時代”不久之後。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡的第一張圖像帶來了另一個戲劇性的、意想不到的發現。早期宇宙居住著大量的“小紅點」：來源不明的極其緊湊的紅色來源。

最初，他們被認為是巨大的超密集星係是不可能的，但過去一年的詳細觀察揭示了一系列令人深感困惑和矛盾的特性。

明亮的氫氣以每秒數千公里的極快的速度發光，這是圍繞超大質量氣體旋轉的氣體的特徵。

這種現象稱為活動星系核，通常表明瘋狂進食一個超大質量黑洞正在吞噬它周圍的所有氣體，並迅速增長。

但這些並不是普通的活躍星系核。首先：正如通常預期的那樣，它們不會發射任何可檢測到的 X 射線。更有趣的是，它們似乎具有恆星群體的特徵。

這些星係有可能同時是恆星和活動星系核嗎？或是介於兩者之間的某個進化階段？不管它們是什麼，這些小紅點可能會告訴我們一些關於超大質量行星誕生的信息和星系中的恆星。

除了極度活躍的早期星系，JWST還發現了極度死亡的屍體：早期宇宙中的星系，是宇宙黎明時強烈恆星形成的遺跡。

這些屍體是由哈伯望遠鏡和地面望遠鏡發現的，但只有 JWST 有能力剖析它們的光線，以揭示它們已經死了多久。

它發現了一些在宇宙歷史的前 7 億年中形成的極其巨大的星系（與我們今天的銀河系一樣大或更大）。我們目前的星系形成模型無法解釋這些物體——它們太大而且形成得太早。

宇宙學家仍在爭論這些模型是否可以彎曲以適應（例如，早期恆星形成可能非常有效），或者我們是否必須重新考慮宇宙的本質以及它如何產生早期崩塌的物體。

詹韋太空望遠鏡將在明年發現更多此類物體，並對現有物體進行更詳細的研究。不管怎樣，我們很快就會知道。

就在它的第一步中，望遠鏡就揭示了我們目前宇宙模型的許多缺陷。雖然我們正在完善我們的模型以考慮 JWST 為我們帶來的更新，但我們對未知的未知數感到最興奮。

神秘的紅點隱藏在我們的視野之外。宇宙深處還有什麼徘徊呢？ JWST 很快就會告訴我們。

特米亞·納納亞卡拉，詹姆斯·韋伯澳大利亞數據中心的科學家，斯威本科技大學;伊沃·拉貝, ARC 未來研究員/副教授,斯威本科技大學，和卡爾·格拉茲布魯克, 天體物理與超級計算中心 ARC 獲獎研究員兼傑出教授，斯威本科技大學

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