有关大爆炸的概念容易让人误读。在这篇问答文章中，诺贝尔奖得主、NASA詹姆斯韦伯太空望远镜高级项目科学家John Mather博士，回答了一些宇宙膨胀中常见的相关问题，同时解释了韦伯如何帮助人们理解宇宙早期历史。
John Mather博士，诺贝尔奖得主、NASA詹姆斯韦伯太空望远镜高级项目科学家。
来源：NASA/ Chris Gunn
问：什么是大爆炸？
答：对于我们观测到不断膨胀的宇宙而言，大爆炸真的是一个非常具有误导性的词语。我们正观测一个无边无际的宇宙空间，其中各个星系相互不断地远离。大爆炸的名字传递了类似鞭炮在某个时间和地点发生爆炸这样一个概念——在某个中心。而宇宙是没有中心的，至少目前为止我们尚未发现。大爆炸瞬间发生在每一处，是一个时间过程而非时间点。我们的认知基于以下：1）我们观测的星系相互远离而非以某个中心点；2）我们观测到早期遗留的热能，均匀分布在宇宙空间；3）我们能够计算并推测，当局部天体非常接近时宇宙将会是什么样的，而且计算结果和我们所观测的内容是完全匹配的。
问：我们能够观测大爆炸吗？
答：不行，大爆炸本身并不能被我们观测。
问：我们能看到什么？
答：我们能观测到宇宙早期的热辐射。宇宙138亿年前开始膨胀（我们称之为大爆炸），我们观测到的是其诞生38万年后的热能。这种热能覆盖了整个天空并且布满宇宙（事实上热能仍然在宇宙中弥漫着）。我们可以使用宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer ，COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ，WMAP）和普朗克探测器这些由我们（NASA和ESA）建造的卫星来测绘。宇宙在这一点上是非常光滑的，只有在温度上有微小的涟漪变化。
全天婴儿宇宙图（All-sky image of the infant universe），根据威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）九年的数据制作。
来源：NASA/WMAP科学团队
问：我听说詹姆斯•韦伯太空望远镜回溯宇宙的能力前无古人。韦伯能够看到什么？
答：COBE、WMAP和普朗克探测器回溯宇宙的能力都比韦伯优秀，事实尽管如此，韦伯仍将比哈勃更胜一筹。设计韦伯的初衷并非是要看到宇宙起始而是观测宇宙中尚未被发掘的某一段历史。具体而言，我们想看到宇宙在大爆炸冷却下来后形成的第一个物体。那个时间段可能比我们利用COBE、WMAP和普朗克探测器所观测到的数据要晚几亿年。我们认为它们观察到微小的温度涟漪是最终成长为星系的种子。我们无法确切获知宇宙是何时创造了第一批恒星和星系——或是如何做到这一点的。这就是我们建造韦伯来回答的内容。
问：为什么哈勃无法观测第一批恒星和星系的形成？
答：我们能够回溯这些物体形成的唯一方法就是向极远处观测。哈勃在尺寸和低温上的精度，不足以观测到那些非常遥远天体的微弱热信号。
问：为什么我们要观测第一批恒星和星系的形成？
答：生命的化学元素产生于大爆炸之后的第一批恒星中。我们来自于它们——而且我们想更好地了解是如何演变的！我们有观点、有推论，但对此仍一无所知。不管如何，第一批恒星必定影响了我们的历史，从策动一切物质开始，并生成了除氢和氦之外的其他化学元素。因此如果我们真的想了解我们的原子来自于何方，以及地球这颗小行星是如何能够支持生命，我们就需要探索开始时发生事情。
NASA詹姆斯韦伯太空望远镜在轨艺术图。
来源：Northrop Grumman
John Mather博士是詹姆斯韦伯太空望远镜高级项目科学家。Mather博士与加州大学George F. Smoot分享了2006年诺贝尔物理学奖，诺奖表彰他们借助COBE卫星测量了来自大爆炸的热辐射。
发表于 2017-11-3 00:17
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