美国宇航局的罗马太空望远镜将如何照亮宇宙的黎明

如今，广阔的太空清晰可见，但情况并非总是如此。在宇宙的初期，宇宙中充满了“雾”，使它变得不透明，遮蔽了第一批恒星和星系。美国宇航局即将发射的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将探测宇宙随后向如今所见的灿烂星空过渡的过程——这一时期被称为宇宙黎明。

“在此期间，宇宙的某些基本性质发生了变化，”美国宇航局戈达德太空飞行中心（位于马里兰州格林贝尔特）的天体物理学家米歇尔·塔勒说。“多亏了罗曼的清晰红外图像，我们最终可能弄清楚在宇宙的关键转折点上发生了什么。”

熄灯，亮灯

宇宙诞生后不久，是一片充满粒子和辐射的炽热海洋。随着宇宙膨胀和冷却，带正电的质子能够捕获带负电的电子，形成中性原子（主要是氢，还有一些氦）。这对原子最终会变成的恒星和星系来说是个好消息，但对光来说却是个坏消息！

气态氢和氦可能需要很长时间才能聚集成恒星，然后恒星相互吸引形成第一批星系。但即使恒星开始发光，它们的光也无法传播太远，就会撞击中性原子并被其吸收。这一时期被称为宇宙黑暗时代，持续了大约 38 万年至 2 亿年后的大爆炸。

然后，随着在接下来的几亿年里越来越多的中性原子分裂，雾气慢慢消散：这个时期被称为宇宙黎明。

“我们非常好奇这个过程是如何发生的，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所的贾科尼研究员亚伦·杨 (Aaron Yung) 说道，他正在帮助规划罗曼的早期宇宙观测。“罗曼对深空的广阔而清晰的视野将帮助我们权衡不同的解释。”

主要嫌疑人

早期星系可能是造成中性原子分裂的高能光的主要原因。第一批黑洞可能也发挥了一定作用。罗曼将广泛调查这两个可能的罪魁祸首。

“罗曼号将擅长寻找后来形成的星系团等宇宙结构的构成要素，”加州帕萨迪纳加州理工学院/IPAC 助理科学家 Takahiro Morishita 说道，他曾研究过宇宙黎明。“它将快速识别出最密集的区域，那里的‘迷雾’正在逐渐消散，这使得罗曼号成为探索早期星系演化和宇宙黎明的关键任务。”

最早的恒星可能与现代恒星截然不同。当引力开始将物质拉到一起时，宇宙非常致密。恒星可能比太阳质量大数百或数千倍，并发出大量高能辐射。引力将年轻的恒星挤在一起形成星系，它们的累积爆炸可能再次将电子从周围空间气泡中的质子中剥离出来。

“你可以称之为宇宙之初的盛会，”泰勒说。“我们从未见过第一批恒星和星系的诞生，但它一定非常壮观！”

但这些重量级恒星的寿命很短。科学家认为它们很快就坍缩了，留下了黑洞——引力如此之大的物体，甚至连光都无法逃脱它们的魔爪。由于年轻的宇宙膨胀时间不长，体积也较小，因此成群的黑洞可能会合并形成更大的黑洞——质量可达太阳的数百万倍甚至数十亿倍。

超大质量黑洞可能有助于清除弥漫在早期宇宙中的氢雾。在活动星系（称为类星体）的明亮中心，热物质在坠落之前围绕黑洞旋转，会产生极端温度并发出巨大明亮的强烈辐射喷流。这些喷流可以延伸数十万光年，从其路径上的任何原子中夺走电子。

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜也在探索宇宙黎明，利用其较窄但更深的视野来研究早期宇宙。通过将韦伯的观测结果与罗曼的观测结果结合起来，科学家将绘制出这一时代的更完整图景。

到目前为止，考虑到类星体的稀有程度和韦伯望远镜的视野范围，韦伯发现的类星体数量比预期的多。罗曼的缩小视图将帮助天文学家了解类星体到底有多常见，从而了解正在发生的事情，与韦伯可能发现的少数类星体相比，罗曼可能会发现数万个。

詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的这幅图像包含 20,000 多个星系。研究人员分析了 117 个星系，这些星系都存在于大爆炸后约 9 亿年。他们重点研究了类星体 J0100+2802 前方的 59 个星系。类星体 J0100+2802 是一个活跃的超大质量黑洞，其作用类似于灯塔，位于上图中央，看起来又小又粉，有六个明显的衍射尖峰。研究小组研究了星系本身以及它们周围的发光气体，这些气体被类星体的明亮光线照亮。这一观测揭示了早期星系如何清除周围的“雾”，最终形成今天清晰广阔的视野。

NASA、ESA、CSA、Simon Lilly（苏黎世联邦理工学院）、Daichi Kashino（名古屋大学）、Jorryt Matthee（苏黎世联邦理工学院）、Christina Eilers（麻省理工学院）、Rob Simcoe（麻省理工学院）、Rongmon Bordoloi（NCSU）、Ruari Mackenzie（苏黎世联邦理工学院） ）；图像处理：Alyssa Pagan (STScI)、Ruari Macken

“有了更强大的统计样本，天文学家将能够检验受韦伯观测启发的广泛理论，”Yung 说。

通过罗曼的远见卓识回顾宇宙最初的几亿年，也将帮助科学家确定某种类型的星系（例如质量更大的星系）是否在清除迷雾方面发挥了更大的作用。

“可能是年轻星系启动了这个过程，然后类星体完成了这项工作，”Yung 说。观察雾中气泡的大小将为科学家提供重要线索。“星系会在它们周围形成巨大的气泡群，而类星体则会形成巨大的球形气泡。我们需要像 Roman 那样的大视野来测量它们的范围，因为无论哪种情况，它们的宽度都可能达到数百万光年——通常比 Webb 的视野还要大。”

罗曼将与韦伯携手合作，提供有关星系如何从曾经充满宇宙的原始气体中形成以及星系中心超大质量黑洞如何影响星系和恒星形成的线索。这些观测将有助于揭示照亮我们宇宙并最终使地球上的生命成为可能的宇宙破晓之星。

南希·格雷斯·罗曼太空望远镜由位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心管理，NASA 喷气推进实验室和南加州的加州理工学院/IPAC、巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及由来自各个研究机构的科学家组成的科学团队参与其中。主要的工业合作伙伴是位于科罗拉多州博尔德的 BAE SYSTEMS, Inc、位于纽约州罗切斯特的 L3Harris Technologies 和位于加利福尼亚州千橡市的 Teledyne Scientific & Imaging。