【博科園-科學(xué)科普】如果本文能為你帶來你未曾了解知道信息或知識，故“博科園”覺得還是有用的。那么在評論區(qū)留個(gè)言點(diǎn)個(gè)贊，并關(guān)注一下吧 (*°°)=3
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這個(gè)遙遠(yuǎn)的宇宙，就像在銀河系看到的一樣，由恒星和星系，以及不透明的氣體和塵埃組成。如人類目前所觀測到那樣，但不管我們怎么看，都沒有看到這一切。圖片版權(quán)：Two Micron All Sky Survey (2MASS)
從物理學(xué)的規(guī)律開始，是一個(gè)充滿了特定數(shù)量物質(zhì)和輻射的宇宙。一個(gè)熱的，密集的，膨脹的，基本一致狀態(tài)的宇宙等等。138億年后將是一個(gè)看起來像我們自己的宇宙。它充滿了恒星、星系、星系團(tuán)、細(xì)絲（宇宙網(wǎng)）和數(shù)萬億的巖態(tài)行星、液態(tài)水和生命的機(jī)會。但是，可到達(dá)的宇宙究竟要走多遠(yuǎn)？還有多少奧秘待揭示？
哈勃深度場觀測到了約在一個(gè)方向上有13億光年，那么我們可以假設(shè)在各個(gè)方向都能看到13億嗎？深場圖顯示的是一些畸形的小星系，和第一批恒星的距離很短。大爆炸本身就在后面。這是否意味著整個(gè)宇宙的直徑大約為26億光年？怎么估計(jì)或知道只看到了宇宙中所有結(jié)構(gòu)的一小部分？
首先來看看人類有史以來最深刻的觀點(diǎn)，從那里向更深的地方看。
哈勃極深場（XDF）的全部UV-Vis-IR復(fù)合圖，這是有史以來最偉大的影像，在一個(gè)只有1 / 32000萬的天空區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了5500個(gè)可識別的星系。圖片版權(quán)：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
哈勃極深場是一個(gè)非常小的一片天空視圖，為所有可見天空的1/32萬分之一 ，在紫外線，可見光和近紅外光譜中連續(xù)曝光23天。它共發(fā)現(xiàn)了5500個(gè)星系，其中一些來自相對較近的星系，另一些則來自宇宙當(dāng)時(shí)年齡的4％。如果要做數(shù)學(xué)計(jì)算，并把這個(gè)小地區(qū)的5500個(gè)星系外推到整個(gè)天空，那么在可見的宇宙中將會有大約1800億個(gè)星系。但是這個(gè)數(shù)字太小了，只占了實(shí)際存在的星系的10％左右。
從現(xiàn)在看來，我們可以看到遙遠(yuǎn)宇宙的“光束”視圖。但由于觀察能力有限，大量星系仍未被發(fā)現(xiàn)。圖片版權(quán)：NASA / STScI / A. Feild
當(dāng)我們回望遙遠(yuǎn)的距離，也在回顧過去的時(shí)間。來自遙遠(yuǎn)星系的光線只能以光速行進(jìn)，而今天的宇宙正好是138億年。當(dāng)你看到花了1億年的光線到達(dá)我們的時(shí)候，會看到1億年前的光線。通過其最偉大的觀測，哈勃可以看到宇宙年齡低于10億歲的星系。當(dāng)看得越來越遠(yuǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)平均來說，星系是：
1、更小
2、質(zhì)量較低
3、顏色本質(zhì)上更藍(lán)（由于更年輕的恒星星比例較高）
4、由于內(nèi)部的星恒星數(shù)量較少，本質(zhì)上發(fā)光性較差或較暗淡
與當(dāng)今銀河系相當(dāng)?shù)你y河系數(shù)量眾多，但類似銀河系的年輕星系本質(zhì)上比我們今天看到的銀河系更小，更藍(lán)，更富含氣體。對于第一個(gè)星系來說，這是極端的。圖片版權(quán)：NASA and ESA
這很有意義：引力需要時(shí)間才能把這些小的早期原型星系拉成大規(guī)模的銀河系大小星系。它需要數(shù)十億年的時(shí)間才能形成大的星系團(tuán)，形成我們所知道的最龐大的橢圓星系。然而，在那些早期，這些“種子”星系一定存在著很多。
如果想知道有多少，就必須結(jié)合兩個(gè)世界的最好的：在所知的所有事物的物理基礎(chǔ)上模擬宇宙以及觀測宇宙，在那里可以看到我們的儀器和測量的一切。
當(dāng)將這兩者結(jié)合在一起時(shí)，正如2016年的一項(xiàng)研究所表明的那樣：我們知道在完整的，可觀測的宇宙中大約有兩萬億個(gè)星系。
它們應(yīng)該在各個(gè)方向上近似一致，大質(zhì)量星系在很遠(yuǎn)的距離處有較多數(shù)量的星系，在較近的星系附近有較少數(shù)量星系的質(zhì)量更高。在它們之間會有成群的團(tuán)簇和細(xì)絲（宇宙網(wǎng)），以及它們之間巨大的宇宙空間，但這是由于引力的作用。但平均而言，宇宙各處都是一樣的。
那么，為什么當(dāng)我們看到遙遠(yuǎn)的宇宙時(shí)，我們只能看到大約9％的星系？特別是，為什么我們遺漏了這么多最遙遠(yuǎn)的星系？
與中間的星系相比，附近的星系更少，但這是由于星系合并和演化的結(jié)合，也無法看到超遙遠(yuǎn)的超暗星系本身。圖片版權(quán)：NASA / ESA
有幾個(gè)原因在起作用，其中有些是顯而易見的，有些則不是。最明顯的是這些星系離得更遠(yuǎn)，這意味著它們很難被看見。一個(gè)距離50億光年的星系只有1 / 4的亮度，在100億光年，這意味著你需要觀察它4倍的時(shí)間才能看到它。
第二個(gè)明顯的原因是，這些星系本質(zhì)上是比較暗淡的，體積更小，星星也更少。即使考慮到年輕的銀河星系擁有更高亮度的比例，一顆擁有1億顆恒星的星系可能只有像銀河這樣擁有4千億顆恒星的星系亮度的0.1％。
只是因?yàn)檫@個(gè)遙遠(yuǎn)的星系GN-z11位于星系間介質(zhì)大部分被再電離的區(qū)域，哈勃望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在可以向我們揭示它。而未來的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將觀測得更深更精確。圖片版權(quán)：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
但接下來的事情就不那么明顯了。在超遙遠(yuǎn)的宇宙中超過約6的紅移，就必須必須開始與中性氣體相抗衡，這就阻擋了部分星光。只有在宇宙中只有少量的中性氣體在特定的方向上才能看到星系。當(dāng)這種中性氣體存在時(shí)，來自超遙遠(yuǎn)星系的光就會被沖刷掉。
還有宇宙紅移的影響。宇宙本身的結(jié)構(gòu)正在膨脹，這是描述宇宙的大爆炸框架最重要的組成部分之一。這導(dǎo)致發(fā)射的光隨著空間的膨脹而伸展，使得更遙遠(yuǎn)的星系顯得更紅。最遙遠(yuǎn)的星系甚至?xí)凶贤饩€光從可見光波段移動(dòng)到遠(yuǎn)紅外線。
不僅僅是星系正在遠(yuǎn)離我們而導(dǎo)致的紅移，更確切地說我們和星系之間的空間，將光從那個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)轉(zhuǎn)移到我們的眼睛上。當(dāng)然這是基于一個(gè)假設(shè)，它的有效性，沒有辦法測試。如果這是錯(cuò)誤的，那么我們可以得出所有結(jié)論。圖片版權(quán)：Larry McNish of RASC Calgary Center
哈勃望遠(yuǎn)鏡深度場具有探測最大波長為1.6微米的能力，能夠顯示出令人難以置信的遙遠(yuǎn)星系數(shù)量，但即使在原理上，它也會使最遙遠(yuǎn)的星系無法探測到。這就是為什么詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將如此重要，因?yàn)樗鼘⒛軌蜻_(dá)到30微米的超長紅外線波長：是哈勃敏感的“拉伸因子”的近20倍。
由于中性氣體阻擋紅外光的能力較差，正如您可以通過觀察我們自己的銀河系的充氣平面所看到的那樣，這意味著從2019年開始，科學(xué)家們將準(zhǔn)備開始觀測這些超微弱，超遠(yuǎn)距離的星系。
這個(gè)四面板視圖以四種不同波長的光線顯示了銀河系的中心區(qū)域，其中較長的（亞毫米）波長位于頂部，穿過遠(yuǎn)近紅外線（第二和第三），并以可見光視圖結(jié)束。塵埃帶和前景恒星使中心在可見光下變得模糊。圖片版權(quán)：ESO/ATLASGAL consortium/NASA/GLIMPSE consortium/VVV Survey/ESA/Planck/D. Minniti/S. Guisard Acknowledgement: Ignacio Toledo, Martin Kornmesser
最后一部分關(guān)于空間的延伸，也是觀察這些超年輕星系如此困難的最后一部分。如果宇宙不是在擴(kuò)張，那么一束光線經(jīng)過100億年才能到達(dá)我們的銀河系，將會有100億光年的距離。但是在一個(gè)不斷膨脹的宇宙中，由于空間的延伸，今天它更遠(yuǎn)了。事實(shí)上，當(dāng)我們注意到各種紅移，并推測我們將（或不會）找到星系的位置時(shí)，可以計(jì)算出宇宙在光線到達(dá)時(shí)有多遠(yuǎn)和多大。
以下是科學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)：
即使這樣，我們能夠探測到的，小而微弱的也是宇宙中最大和最亮的東西。要想回到大爆炸的那一刻，138億年前，相當(dāng)于460億光年的距離。當(dāng)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡服役時(shí)，它應(yīng)該揭示出我們從未見過的宇宙。
詹姆斯·韋伯（James Webb）擁有七倍于哈勃望遠(yuǎn)鏡的聚光能力，但能夠看到遠(yuǎn)紅外線部分更遠(yuǎn)的深空，揭示出這些星系的存在甚至比哈勃所能看到的還要早。圖片版權(quán)：Credit: NASA / JWST science team
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡給我們展示了宇宙的樣子。在不到兩年的時(shí)間里，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將帶領(lǐng)人類走向下一個(gè)偉大的飛躍，并告訴我們宇宙是如何成長的。這是一個(gè)讓人難以置信活著的時(shí)刻。對于任何一個(gè)好奇宇宙中的第一個(gè)星系是什么樣子的人，它是如何形成的，宇宙是多么年輕，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)的時(shí)候?qū)嶋H上是多么的遙遠(yuǎn)，以及這些宇宙蠟燭是多么的明亮和巨大，我們正處于有這些問題的尖頭。
對于過去幾代人來說，人類根本不知道宇宙中的恒星和星系是從哪里來的。在這10年之際，將會知道這些答案，即使是愛因斯坦也無法想象。
知識：科學(xué)無國界，博科園-科學(xué)科普
參考：NASA，ESA，ESO等
作者：Ethan Siegel
