宇宙黎明時的宇宙是什麼樣的？
這個充滿詩意的短語是天文學家用來稱呼大爆炸後僅僅幾億年的時期，當時最早的恆星被點亮，光芒照亮了宇宙。
為了看到這個時代，我們需要一臺時間機器，而且，令人震驚的是，我們已經有了一臺。實際上，我們有很多：望遠鏡。光速非常快——每小時十億公里！——但是，星系仍然非常遙遠，它們的光需要數百萬甚至數十億年才能到達我們這裡。它們離地球越遠，它們的光到達我們這裡所需的時間就越長。因此，從某種意義上說，當我們瞥見它們遙遠的光子時，我們是在及時倒流，觀察這些古老的星系在很久以前的樣子。
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來自宇宙黎明時期星系的光已經傳播了超過 130 億年。在廣闊的距離上被衰減——隨著宇宙的膨脹，這個距離一直在增長——到達我們這裡的光不僅極其微弱，而且還非常紅移，這意味著它曾經的光學波長已經拉伸到電磁頻譜的紅外部分。收集足夠的光來進行前沿科學研究——更不用說製作漂亮的圖片——需要一臺巨大的望遠鏡，它對任何紅外光芒都非常敏感。
這正是天文學家建造詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 的原因。憑藉其巨大的 6.5 米分段鏡和多個紅外調諧儀器，它可以觀測到早期星系，就在第一批恆星誕生後不久，甚至可能也許可以一直追溯到宇宙黎明。
為了突破 JWST 功能的極限，天文學家設計了一個名為 JWST 先進深場系外星系巡天 或 JADES 的特殊觀測專案。它在天空中非常小的區域長時間觀測，以獲得來自地球宇宙中極其遙遠的天體的“深場”影像。現在，研究人員正在利用該專案在 JWST 太空第一年的成功經驗。該區域中精心挑選的一個子區域現在是 JADES 起源場的目標，在望遠鏡目前的二年級，該場將把觀測推向宇宙更深處，有望測量更接近宇宙黎明的星系。
該專案已經從那些幾乎難以理解的深處獲得了豐富的成果。您可以親眼看到並探索它們，一切都在您舒適的辦公桌旁（或您可能使用智慧手機的任何其他地方）！迄今為止的觀測鑲嵌圖已線上提供。首次顯示時，它看起來像一塊佈滿汙跡、不規則的黑色區域，點綴著汙點。但是，如果您放大、放大、再放大，您會發現最亮的物體是壯麗的星系：其中許多可以識別為螺旋星系，但到目前為止，大多數形狀更不規則。類似的星系動物寓言集也充斥著壯麗的哈勃深場，這是哈勃太空望遠鏡早期的影像揭示了星系較小的“碎片”，這些碎片顯然正在合併以形成我們今天看到的較大星系。
在 JADES 場中，我們自己星系中的一些恆星可以零星地被區分出來。它們中的每一個都透過非常清晰的點狀外觀以及衍射尖峰而從更遙遠的物體中脫穎而出——衍射尖峰是三對從恆星中心向外輻射的線條，是由光線繞射構成 JWST 主鏡的六邊形一米鏡片片段彎曲造成的。仔細觀察還會發現一條淡淡的水平線平分每顆銀河系恆星，這是由光線繞射望遠鏡次鏡的支撐支桿彎曲造成的。
但是，如果您非常仔細地觀察，您甚至會發現一些遙遠的模糊物體，它們具有非常明亮的核心，也顯示出衍射尖峰，例如物體 169604。這些物體很可能是活動星系，每個星系都包含一箇中心超大質量黑洞，它正在貪婪且草率地吞噬大量的氣體和塵埃。這種物質會劇烈升溫並向外輻射，因為它以接近光速的相當一部分螺旋式地走向厄運，最終在黑洞的事件視界——最終的不歸路——處消失。
事實上，JADES 起源場的一個希望是找到遙遠的星系，在這些星系中，這些巨大的黑洞才剛剛開始形成；宇宙學中最大的謎團之一是這些黑洞如何在不到十億年的時間內成長為太陽質量的十億倍的龐然大物。
這個鑲嵌圖中的許多天文物體可以透過它們的顏色來識別，也就是它們在不同波長下顯得有多亮。近紅外相機，JWST 的主力儀器，具有選擇不同波長的濾光片，JADES 使用了其中的幾個。您可以透過單擊鑲嵌圖網頁右上角的頂部“圖層”圖示來在濾光片之間切換顯示，以檢視當您更改觀測到的光線型別時外觀如何變化。光在顏色分佈被稱為光譜能量分佈，或 SED，底部的“圖層”圖示有一個選項可以顯示此分佈。天文學家使用 SED 來確定他們正在觀察的物體型別，對於星系，則用來確定大致距離。
在影像中四處檢視，我發現了很多奇怪的物體可以欣賞。例如，物體 196582 顯然是某種星系，可能距離我們超過 70 億光年。但它上方有一條模糊的橢圓形弧線延伸。有時，大質量星系的引力可以彎曲來自更遙遠背景星系的光線，在稱為引力透鏡的過程中將它們扭曲成不尋常的形狀。但是，這些弧線通常輪廓分明且細長，而這顯然不是。另一種可能性是星系擾動：當星系在太空中飛行時，有時會彼此靠近，因其引力相互作用而扭曲和扭曲，並拉出像宇宙拉絲太妃糖一樣的恆星流。如果一個星系比另一個星系小得多，它可能會完全被撕裂。這可能就是我們在這裡看到的。
也有不太極端的遭遇。物體 171522 和 171523 是一對相互作用的星系，它們的大小似乎大致相等，並且每個星系都在扭曲另一個星系。經過足夠長的時間後，這對雙星系可能會物理合併，成為一個更大的星系。在鑲嵌圖中可以找到許多此類星系碰撞的例子，這增加了我們對星系在宇宙早期如何相互作用和生長的理解。
關於這張影像，最令人驚歎的事情可能不是任何特定的物體，而是 JWST 在整個 JADES 場中捕捉到的物體數量之多。天文學家已經計算出那裡大約有 10 萬個星系，但它僅覆蓋了天空的一小部分，大小與您伸直手臂時指尖上的一小塊細礫石差不多。推算到整個天空，這意味著上天擁有數千億個星系，這與之前的估計相當；JADES 起源場的深處將揭示更多數量的星系，為我們提供更多研究物件，並對它們進行更精確的測量。
這是一個強有力的佐證，證明了一個驚人的事實：宇宙中充滿了星系。我們的銀河系只是其中之一，如果我們從 100 億光年之外用 JWST 觀察它，它將只是眾多星系中的另一個，就像 JADES 場中的那些星系一樣。這當然是令人謙卑的，但對我來說，這也是快樂甚至自豪的源泉：我們可以掌握這個事實。透過科學，在我們永不滿足的好奇心和日益強大的技術的驅動下，我們可以瞭解我們在宇宙中的真實位置——甚至可以將宇宙最遙遠的深處帶到我們的指尖。
但不要只聽我的一面之詞。透過深入研究JADES 寶藏庫來親自了解，這裡充滿了宇宙黎明邊緣的星系。