为什么我们看不到宇宙中第一批恒星?
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发布时间：2024-04-09 13:36
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时间：2024-04-12 16:29
夜晚的星空是人类和宇宙沟通唯一的窗户，在一个晴朗、没有任何光污染、完全黑暗的夜晚，我们人类肉眼大约能看到6000-7000颗恒星，其中包括我们太阳的五大行星（遥远的天王星和海王星肉眼看不到），除了这些，我们还能在天空中看到一条横跨夜空的银河，一些模糊的星云，例如：仙女座和大小麦哲伦星系。
现在我们知道这些模糊的星云，正是遥远宇宙中独立于银河系之外的星星岛屿，在我们的可观测宇宙中至少约有2000亿个这样的星系和银河系一样，在宇宙中孤独的漂浮着，像是大海中的一叶孤舟。能有这样的认识，能知道我们宇宙的广阔以及其中所包含无数的星系，完全得益于望远镜的出现以及发展。
因为在1609年，伽利略首次将自制的望远镜用于天文观测以前，我们人类还在论证太阳系的模型，开普勒的行星运动定律刚提出不久，日心说模型才初步得到了确立，而牛顿直到1687年才提出了万有引力定律，解释了行星绕母恒星运动的本质原因。
太阳系模型的确立，让人类的目光开始转向了遥远的星空，开始进入了建立宇宙模型的阶段，而望远镜的出现也让人类彻底摆脱了裸眼观天的局限性，在天空中发现了大量的、暗淡的、以前肉眼无法看到的恒星以及恒星的集合体，并且发现了天空中那些奇怪的模糊“星云”。
经过了数十年的争论和观测，直到1924年，由于当时望远镜的口径、光学技术以及天文摄影技术得到了空前的提升，埃德温·哈勃使用威尔逊山天文台的254厘米反射望远镜对仙女座星云的观测才搞清楚了这些所谓的“星云”其实就是星系，并且发现了宇宙中的星系正在远离我们。埃德温·哈勃的发现让人类视野走出了银河系，并开创了星系天文学。人们在哈勃发现的基础上建立了一个不断膨胀的大爆炸宇宙模型，现代天文学拉开了帷幕。
1990年哈勃望远镜的升空，更是将人类的视野带到了宇宙深空，人类以前所未有的方式在观测回顾整个宇宙的演化历史，其实在哈勃望远镜和斯皮策红外望远镜的协同配合下，人类已经很接近早期宇宙中诞生的第一批星系、甚至是第一批恒星！在近几年我们不断地刷新着宇宙中最遥远、最古老星系的记录，例如：哈勃发现的EGSY8p7星系和UDFj-39546284这两个星系是宇宙中非常古老的星系之一，分别诞生在132.3亿和134亿年前，距离我们目前有300亿和330亿光年，要知道整个宇宙的历史大约才138亿年，所以哈勃已经十分接近宇宙中的第一批星系了。
但是这两个星系并非宇宙中最最古老的星系，因为哈勃目前并没有探测到宇宙中的第一批星系，这就是我们下面要说的哈勃望远镜的极限了。
你可能会认为只要我们将哈勃对准天空中的一个区域，经常长时间的曝光，不断的收集更多的光子，那么是不是就可以看到宇宙诞生后的第一批星系了？理论上没有问题，而且这也是哈勃观测遥远星系常用的方法，但是曝光达到一定的时间，哈勃并不能接受到更多的光子信息。因为哈勃望远镜有它内在的局限性，也可以说它被设计之处就注定了它并不适合观察遥远的星系。
*哈勃最大的因素就是主反射镜的口径和它工作的波段，口径决定了哈勃能收集到光子的数量，即使曝光时间加长也无济于事，工作波段决定了它能接收什么样的波长的光子，因为望远镜在工作时不会在全波段下收集光子，这样会造成其他信号的干扰，所以我们只会选择一个波段下进行观测。在不同波段下观测天体，会带来非常不同的外观和属性。
你看，上图中同样是超新星残骸，我们在不同的波段下对其进行观测就获得不同的效果，图一是甚大阵射电望远镜在无线电波下对其进行的感测，图二是斯皮策红外望远镜在近红外波段的呈现，图三是哈勃望远镜在可见光波段的成像，图四是Astro-1望远镜在紫外线下的成像，图四和图五是钱德拉X射线天文台在更高能量下的波段所看到的景象。
所以说观测波段对于目标物的成像非常重要，而哈勃望远镜的主要工作波段为可见光，虽然我们在后来对哈勃的维护中为其增加了红外滤光片，但是红外波段依旧是哈勃的硬伤。那么这个和遥远的星系有什么关系呢？
今天我们在宇宙中看到的星系和早期宇宙中刚诞生的星系其实没什么两样，它们都是靠恒星的核聚变的向外辐射能量，不过早期的星系块头更小，其中包含的蓝巨星更多，发出光的能量更高，有很大一部分在紫外线波段。
但是这些光想要到达地球，必须经历一段地狱般的旅程，飞行数百亿光年，在这途中光的能量会发生一些衰减，也就是损失能量使得光的波长加长，不过这一点影响并不大。对光能量/波长影响最大的是，我们的宇宙正在膨胀，膨胀的空间会导致光的波长被拉伸，经过漫长的旅程，遥远星系最初发出的紫外线光，已经被红移到了红外线波段。
如果我们继续用哈勃的可见光波段寻找宇宙中那些非常遥远的星系，只能是一无所获。因此哈勃的观测能力是有限的，而且如果观测的距离越远，还会存在更加严重的问题，这也是哈勃目前无法企及的距离。
我们知道宇宙诞生后的几百万年间是不存在任何恒星的，也没有任何星系，只有大量的中性气体云，这些气体云在随后5000万到1亿年间才在引力的作用下聚集，并且点燃核聚变形成第一批恒星、星系，不过最初形成的恒星所发出的光不管朝哪个方向传播都会撞上中性原子被吸收，我们称这个时期为宇宙的黑暗时代。所以，哈勃在可见光下无法看到宇宙黑暗时代任何的光线。
不过远红外线可以很好的免疫中性氢，不受阻碍的穿过这些障碍，因此我们需要建造一个更加强大的红外望远镜来探测这些宇宙中早期的星系，这就是詹姆斯·韦伯望远镜升空任务的重要意义。它比斯皮策红外望远镜要灵敏100倍。不过有一点很重要，遥远星系最初发出的红外线虽说不受中性氢的阻挡，但是随着宇宙膨胀导致的红移，很大一部分红外线波段的光已经进入了远红外波段甚至是微波波段。
如果这些黑暗时代早期的光被宇宙完全膨胀到了微波波段，它会和宇宙微波背景辐射的光子搅合在一起，是我们永远都无法探测到第一批星系和恒星。因此，我们急需韦伯望远镜升空来接替哈勃的工作。
