為什么我們急切地需要韋伯望遠鏡升空？

“對于那些完全相信彼此的人來說，時候和地址的距離都不會削減他們之間的友情。”——羅伯特·索西

哈勃太空千里鏡是我們人類今朝最壯大、最昂貴的不雅測設備之一，人們曾經用它做過最神奇、也是最出乎料想的工作是，讓哈勃瞄準了一小塊看似空無一物的空間，持續不雅察曝光了幾周的時候，若是什么都沒有發現，這將是史上最大的資本華侈，究竟結果哈勃再其服役時代的每分每秒都如斯的珍貴。

可是我們在暗中、空曠的空間發現了千上萬個星系，從而得出結論：在整個可不雅測宇宙中有至少2000億個星系。為我們供給了一個初步的下限值。那么哈勃的不雅測極限是什么？它為什么看不到無限遠的星系？

現實上，在宇宙中有一些星系很是遙遠、恍惚，哈勃幾乎看不見它們。造當作哈勃視野有限的兩個原因有兩個：

哈勃“只有”一個直徑為2.4米的口徑，這意味著它只能收集到這個口徑下所能收集到的光子數目。即使曝光跨越23天（這是有史以來在一個區域最長的曝光時候），也只能讓哈勃在最遠的距離上看到一些很是敞亮的星系。

我們在宇宙中看得越遠，任何物體發出的光就會越紅。

在某種水平上，第二點其實也是一件功德！

因為，當涉及到最年青、最熱、最亮的恒星時，它們發出的光大部門對人類來說并不是可見光，現實上是紫外線。跟著宇宙的膨脹，跟著星系之間的距離越來越遠，宇宙的布局也隨之膨脹。

這意味著存在于時空中的光子（從遙遠的恒星和星系發射到我們面前的單個光量子）也會發生紅移，它們的波長會被宇宙自己的膨脹拉長。

當我們看到一個敞亮、遙遠、紅色的星系時，我們可以經由過程不雅察其顏色的相對亮度（藍色、綠色、紅色和近紅外光）來估量它的紅移，但這只是一個估量。若是我們想知道它真實的紅移量，就需要測量一些更確定的性質。

毫無疑問，原子物理學，出格是原子的躍遷，在宇宙的任何處所都是一樣的。若是我們能測量來自一個物體的發射光譜（或接收光譜，這取決于星系的類型），并識別出存在的元素，我們就能按照哈勃定律直接計較出：

它的紅移量，

它的距離，

以及其初次發出光時的宇宙春秋。

就原子躍遷而言，任何恒星或星系中最強烈、最輕易看到的發射線都來自氫原子的電子遷越，它們要么以紫外線（萊曼系）、要么是可見光（巴爾末系）或紅外線（帕邢系系）進行躍遷。

可是這些發射線以及它們的波長是在這些星系的靜止框架入彀算出來的。當宇宙膨脹時，這些波長會發生龐大的紅移。最強烈、最輕易識此外躍遷，凡是發生在121.567納米的萊曼-阿爾法躍遷，在光譜上可以紅移的很是遠。

測波長的公式是什么？用靜止座標光譜中的波長乘以（1 + z），此中z是物體的紅移。上圖，在接近540納米（上圖的單元是埃）的萊曼阿爾法線（綠色的光）給我們的紅移大約是3.4，也就是220億光年的距離，它的光從宇宙只有19億年的時辰發出，也就是此刻宇宙春秋的13%。

此刻，我們看哈勃上最新最壯大的相機，寬視場相機3 (WFC3)中的窄濾光片可以不雅察到最大波長接近1700納米的光。

基于此，從理論上講，哈勃可以看到整個宇宙紅移為12或13的星系，半斤八兩于宇宙春秋只有此刻的3% ！

但這是成立在這樣的一個假設之上：哈勃在進行超深度不雅察時利用了紅外濾光片，但哈勃自己并沒有。而是利用寬場波段收集更多的光子，最長的波長在850納米擺布，接近900納米。

事實上，當我們想深切地摸索宇宙時，即使我們無法使方針物體達到像哈勃千里鏡那樣的分辯率或亮度，我們凡是仍是利用專用的紅外太空千里鏡，好比斯皮策！

然后，我們需要經由過程地面上8到10米級千里鏡的后續不雅測來確認這些候選者的光譜。在很長一段時候里，UDFj-39546284以驚人的紅移量11.9連結著速度記實。像這樣的星系對哈勃來說完全看不見。可是后續不雅察顯示，有來自一個低紅移星系的子虛發射線混合了不雅測成果，這個11.9的紅移量并禁絕確。

可是今天，我們有了一個新的記實連結者!

EGSY8p7星系，新記實的紅移為8.68，這是確認的星系中已知紅移最高的天體。也就是說當這個星系的光初次發射出來的時辰，宇宙只有5.7億年的汗青，而它此刻距離我們約300億光年，是迄今為止發現的最遙遠星系的宇宙記實連結者。

可是像這樣的星系現實上是哈勃千里鏡所能達到的極限。哈勃所能看到的星系紅移量不會跨越8或9。但宇宙中可能有星系的紅移遠至15或20！

但我們還有但愿。

固然哈勃千里鏡很難達到1微米的波長，但詹姆斯韋伯太空千里鏡（JWST）的活絡度將一向達到30微米擺布，比之前的任何千里鏡都要高，分辯率更高，聚光能力是哈勃的6倍！

若是我們足夠幸運的話，我們將可以或許看到，不是在現有千里鏡手藝的限制下發現的最遠星系，而是發現宇宙所能供給的最遠的星系。盡管哈勃很偉大，但它也有它的局限性。在超長波長射電天文學呈現之前，JWST是我們找到最遠星系的最佳方式，也是將來我們需要完當作的一次天文學重大變化。

JWST估計會在2021年發射升空，屆時我們將在可見宇宙中揭開未知宿世界的最后一幕。

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