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John Mather博士關於NASA詹姆斯韋伯太空望遠鏡及大爆炸的簡短問答


2017年12月03日01時 今日科學 NASA中文
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有關大爆炸的概念容易讓人誤讀。在這篇問答文章中,諾貝爾獎得主、NASA詹姆斯韋伯太空望遠鏡高級項目科學家John Mather博士,回答了一些宇宙膨脹中常見的相關問題,同時解釋了韋伯如何幫助人們理解宇宙早期歷史。

John Mather博士,諾貝爾獎得主、NASA詹姆斯韋伯太空望遠鏡高級項目科學家。

問:什麼是大爆炸?

答:對於我們觀測到不斷膨脹的宇宙而言,大爆炸真的是一個非常具有誤導性的詞語。我們正觀測一個無邊無際的宇宙空間,其中各個星系相互不斷地遠離。大爆炸的名字傳遞了類似鞭炮在某個時間和地點發生爆炸這樣一個概念——在某個中心。而宇宙是沒有中心的,至少目前為止我們尚未發現。大爆炸瞬間發生在每一處,是一個時間過程而非時間點。我們的認知基於以下:1)我們觀測的星系相互遠離而非以某個中心點;2)我們觀測到早期遺留的熱能,均勻分布在宇宙空間;3)我們能夠計算並推測,當局部天體非常接近時宇宙將會是什麼樣的,而且計算結果和我們所觀測的內容是完全匹配的。

問:我們能夠觀測大爆炸嗎?

答:不行,大爆炸本身並不能被我們觀測。

問:我們能看到什麼?

答:我們能觀測到宇宙早期的熱輻射。宇宙138億年前開始膨脹(我們稱之為大爆炸),我們觀測到的是其誕生38萬年後的熱能。這種熱能覆蓋了整個天空並且布滿宇宙(事實上熱能仍然在宇宙中瀰漫著)。我們可以使用宇宙背景探測器(Cosmic Background Explorer ,COBE)、威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

,WMAP)和普朗克探測器這些由我們(NASA和ESA)建造的衛星來測繪。宇宙在這一點上是非常光滑的,只有在溫度上有微小的漣漪變化。

全天嬰兒宇宙圖(All-sky image of the infant universe),根據威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)九年的數據製作。

問:我聽說詹姆斯•韋伯太空望遠鏡回溯宇宙的能力前無古人。韋伯能夠看到什麼?

答:COBE、WMAP和普朗克探測器回溯宇宙的能力都比韋伯優秀,事實儘管如此,韋伯仍將比哈勃更勝一籌。設計韋伯的初衷並非是要看到宇宙起始而是觀測宇宙中尚未被發掘的某一段歷史。具體而言,我們想看到宇宙在大爆炸冷卻下來後形成的第一個物體。那個時間段可能比我們利用COBE、WMAP和普朗克探測器所觀測到的數據要晚幾億年。我們認為它們觀察到微小的溫度漣漪是最終成長為星系的種子。我們無法確切獲知宇宙是何時創造了第一批恆星和星系——或是如何做到這一點的。這就是我們建造韋伯來回答的內容。

問:為什麼哈勃無法觀測第一批恆星和星系的形成?

答:我們能夠回溯這些物體形成的唯一方法就是向極遠處觀測。哈勃在尺寸和低溫上的精度,不足以觀測到那些非常遙遠天體的微弱熱信號。

問:為什麼我們要觀測第一批恆星和星系的形成?

答:生命的化學元素產生於大爆炸之後的第一批恆星中。我們來自於它們——而且我們想更好地了解是如何演變的!我們有觀點、有推論,但對此仍一無所知。不管如何,第一批恆星必定影響了我們的歷史,從策動一切物質開始,並生成了除氫和氦之外的其他化學元素。因此如果我們真的想了解我們的原子來自於何方,以及地球這顆小行星是如何能夠支持生命,我們就需要探索開始時發生事情。

NASA詹姆斯韋伯太空望遠鏡在軌藝術圖。

John Mather博士是詹姆斯韋伯太空望遠鏡高級項目科學家。Mather博士與加州大學George F. Smoot分享了2006年諾貝爾物理學獎,諾獎表彰他們藉助COBE衛星測量了來自大爆炸的熱輻射。


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