韋伯傳回圖像：拍到神造宇宙的第一天，最不為人知的一段宇宙史！大爆炸起源要改寫了？【文昭思緒飛揚232期】

放飛頭腦思緒飛揚,朋友們好 今天我們來聊一聊 韋伯太空望遠鏡給我們帶回的最新震撼發現 2022年12月 韋伯望遠鏡傳回來了新拍攝的星系數據 NASA的科學家們一看 激動得老淚縱橫 韋伯不愧是你啊 拿回來了我們想要的照片 在這堆照片當中 科學家們挑出了一張 然後大聲宣佈說 照片裡的這四個星系 換句話說 它們也就是我們這個宇宙當中 最古老的星系 聽到這兒呢 您可能會覺得有點奇怪 為什麼最遙遠的星系 就是最古老的星系呢 這個事兒得從上個世紀80年代說起 在1980年代以前 宇宙學家們一直都在猜 我們的宇宙到底有多大歲數啦 什麼答案都有 有說幾十億歲的 有說幾千億歲的 也有說永恆的 反正答案五花八門 而且誰也說服不了誰 因為那個時代的觀測工具太落後 答案全憑宇宙學家們的腦洞大小 那個時候的科學家當中有一句笑談 說的是有猜測 然後是更多的猜測 然後就是宇宙學了 說的就是宇宙學領域 腦洞和實測失衡的現象 時間來到了1989年 NASA發射了一顆衛星上天 它的大名叫做宇宙背景探索者 縮寫是COBE 我們就簡稱它為COBE吧 這個COBE的主要任務 就是尋找宇宙中的微波背景輻射 你聽這個詞 微波背景輻射 很拗口 但是這個詞卻至關重要 因為它是宇宙大爆炸理論當中的 一個最重要的證據 其實這個大爆炸理論準確地講 應該叫宇宙膨脹理論 它假設宇宙的生成過程 大約是這樣的 首先是噴了一下無中生有 炸出了一堆高溫粒子 但是由於溫度太高 這些粒子就很活躍 東衝西撞停不下來 也就沒有辦法粘到一塊 形成原子 而光也被跑來跑去的粒子 撞得四處亂飛 於是在這個超熱的 最早期的宇宙當中 光線很快就被吸收掉了 整個宇宙看起來就是混沌的 所以和很多人預想的不同 這個混沌它並不是過於冷 過於死氣造成的 而是由於太熱造成的 大約是大爆炸之後的38萬年 這個宇宙溫度終於慢慢降下來了 降到了3000凱爾文 也就是2727攝氏度 這個時候粒子們終於就不那麼激動了 逐漸冷靜下來 形成了穩定的原子 光也可以遠程傳播了 不再被吸收 於是宇宙空間第一次變得透明瞭 也就是首先有了空間感 那麼這個階段 也就相當於《聖經》創世紀裡面所說的 宇宙從一開始是一片混沌 神說要有光 於是就有了光 那這個時候的光線 也就是COBE所要尋找的 宇宙微波背景輻射 它們也就是原始宇宙的活化石 檢測到了活化石 那麼也就算拿到了實錘證據 這個大爆炸理論 就成了目前關於宇宙創生的 最為主流的一個觀點了 那其後的許許多多問題的開展 關於宇宙有多麼古老 這一類問題 都是以大爆炸理論為基點發展出來的 科學家們從大爆炸理論出發 推算出宇宙目前的年齡 大約是137億歲 科學家們把大爆炸之後的38萬年 到第一顆恆星出現中間這段時間 叫做黑暗時代 他們認為 大約要等到大爆炸一億年之後 第一批遠古恆星和星系才誕生出來 恆星和星系誕生出來之後 宇宙之光就不再是微波背景輻射了 是哪來的呢 是恆星內部核聚變所發出的光了 大大小小的星塵們從此點綴在了夜空 光明和黑暗從此永久地分開了 那從大爆炸之後的一年起 這個階段就相當於創世紀當中所說的 神看見光是好的 那好,鋪墊了這麼多 到這兒就該回答前面提出的那個問題了 為什麼最遙遠的星系 同時也是最古老的星系呢 要說明白這個問題 還得介紹兩個概念 就是紅移和宇宙膨脹 紅移現象說的是 一個星體離地球越遠 它離開地球的速度也就越快 這個時候用儀器去測量它光的波長 那麼得到的測量數值 那從光學望遠鏡裡看 這個星體就會偏紅 就是它的整個光譜都會向紅外光區偏移 這就叫紅移 這個解釋是不是聽著還是有點二胡 有點不明所以啊 其實原理很簡單 就像一輛火車向你隆隆開過來 你會聽到它的轟鳴聲 離你越近 你覺得聲調越高 可是當這列火車從你身邊開過去以後 漸行漸遠的時候 你就會覺得它的轟鳴聲 音調在下沉 你所感受到的更多的就是聲波裡的低音部分了 這個現象就叫波普勒效應 它是聲波的特點 因為光它既是粒子也是波 所以也有類似的現象 那麼當一個星體飛離望遠鏡的速度越快 它發出的光線在望遠鏡看來就會越紅 那麼比較一個星體發出的光線看起來有多紅 再來推算它實際光譜的顏色 那麼就能夠得知這個星體離望遠鏡的距離有多遠了 其實早在100多年前 天文學家們就觀察到 每個星系的光線幾乎都有紅移現象 也就是說宇宙中的大多數星系都在飛速的遠離我們 敏銳的比利時科學家勒梅特 根據這個現象就提出 為什麼星系迅速遠離地球呢 唯一的解釋就是 也就是說當一個星體越古老 隨著宇宙膨脹時間越長 它的光線要達到地球所需要的時間也就越長 這就像一個氣球你把它吹得越漲 這個氣球皮上的一點到另一點的距離也就越遠嘛 1929年美國的天文學家埃德溫·哈勃 也就是哈勃望遠鏡命名所由來的那位大咖哈勃 他把測量到的星系紅移數值和估測的星系距離相匹配 刷刷刷在紙上總結下來了一個簡單的公式 這就是大名鼎鼎的哈勃定律 又因為勒梅特比哈勃更早提出了宇宙膨脹導致星體紅移的現象 所以這個定律又被稱之為哈勃勒梅特定律 從此有了這個公式 科學家們就可以根據一個星體的紅移值 還不僅如此 因為宇宙膨脹是導致紅移現象的關鍵原因嘛 所以一個星體的紅移值等於也就是說明瞭 這個星體是從什麼時候開始隨著宇宙的膨脹逐漸遠去的 也等於這個紅移值間接地給出了這個星體的年齡 終於繞了一大圈 我們回答了開頭提出的問題 為什麼越古老的星系 NASA的科學家們拿到韋伯拍回的照片之後 機動不已在計算機上一通猛敲 得出來這麼一個結果 這四張照片裡的星系是什麼時候誕生的呢? 它們是在宇宙誕生了大約3.25億年至4.5億年之後纔出現的 怎麼理解這個數呢? 如果我們把現在宇宙的年齡看作100歲 那麼這些星系是宇宙2到3歲的時候誕生的 也就是說它們如果按照人的年齡算 應該是97到98歲這樣的高齡了 其實在韋伯的這個發現之前 科學家們也觀測到過其他遙遠的星系 其中之一就是哈勃望遠鏡所發現的一個叫做GNZ-11的星系 它的光線是經過了134億年才抵達了哈勃望遠鏡的盡頭 那根據哈勃定律的計算 這束光什麼時候發出來的呢? 是在大爆炸的4億年之後發出來的 而現在韋伯發現的星體 大約是大爆炸之後的3.25億年形成的 所以目前韋伯拍到的星體應該是已知最古老的星體了 NASA科學家們拿到計算結果之後興奮的手舞足蹈 簡直都想親手給韋伯戴上一朵大紅花了 但是等大家深入研究了韋伯所提供的數據之後 卻心驚肉跳了 因為從這些數據出發 宇宙的成因遠遠比那個大爆炸的解釋來得複雜 2023年2月22日 另一個研究團隊在《自然》雜誌上發表了一篇文章 這是最新的研究成果了 這裡需要敲重點 根據韋伯望遠鏡觀測到的數據 他們發現了超大又超古老的星系 這兩件事情它是自相矛盾的 超古老就不會超大 但是他們發現了又古老又大的星系 這就完全顛覆了大爆炸模型對宇宙早期的認知了 在這篇文章中說 有6個星系大約是在大爆炸之後5至7億年形成的 但是它們的質量居然是太陽的100至1000億倍 要知道銀河系的質量也就是太陽的11000億倍左右 也就是說 這些古老星系的質量可能接近我們銀河系的十分之一 這個數字外行聽起來是沒啥稀奇的 可是內行聽起來就相當暴擊頭腦了 為什麼呢 如果把今天的宇宙視作100歲的話 那時候的宇宙才3歲呢 按理說宇宙的成長和人的成長一樣 應該越接近成年體型才會越魁梧 嬰幼兒時期的宇宙它怎麼能夠形成這麼龐大的星系呢 讓研究團隊困惑的事還不止於此 嬰幼兒期的宇宙星系不僅大的超乎預料 而且它們的物質成分還出奇的緊湊 比如它們找到的那個最大號的星系 可能和銀河系的恆星數量一樣多 但是比銀河系緊湊了30倍 那麼按照大爆炸的宇宙生成模型 處於嬰幼兒期的宇宙 氫氣和氦氣都遠遠不夠用 就無法滿足形成大塊頭星系的那個物質需求量 這是物質硬件給你掐死的 所以現在這個新的發現 就直接推翻了很多之前的假設 難道我們對於早期宇宙的理解 一開始就想錯了 所以可以說自打韋伯尼上天 他每一批發回來的數據 都要顛覆一些之前我們固有的認知 因此NASA的韋伯團隊 在發布了首批觀測數據之後僅僅半年 就已經有一些科學家坐不住了 他們就躍躍欲試 要準備改寫關於早期宇宙的理論了 NASA的另外一個團隊 準備在2023年再多觀察一年 他們想確認更多同類的古老星系 得手裡面數據充分一些 再更加實存一些再來踢館 再來推翻早先的很多宇宙理論 正當宇宙學家們仗著韋伯的新發現 紛紛準備造反的時候 有人出來給造反派們潑冷水了 他開始出來質疑韋伯的能力 這個人叫馬瑟博士 是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的高級項目科學家 馬瑟也是一位大拿 2006年他和加利福尼亞大學的斯穆特博士 分享了諾貝爾物理學獎 馬瑟博士認為韋伯望遠鏡雖然神通廣大 但還是有明顯的短板的 什麼短板呢 馬瑟博士在解釋這個問題之前 他還先費力糾正了一下大家頭腦當中 關於那個大爆炸的錯誤認識 大爆炸這個詞是1949年弗雷德·霍伊爾爵士 在BBC廣播節目當中隨口說出來的 它其實不是一個嚴謹的科學詞彙 聽到這個詞 普羅大眾立馬聯想到的 就是一個巨大炮仗的形象 這個大炮仗在某個地方 某年某月某日 幾分幾點幾秒 砰的一炸 於是許多物質就湧現了 它們就快速膨脹到了周圍的空間 大家都是這個想像對吧 馬瑟博士說 打住 這種想像是錯誤的 首先宇宙大爆炸它沒有中心 大爆炸是同時發生在宇宙各個地方的 它是一個過程 也不是隻在一點 砰的這麼來一下 因為天文學家們觀察到星系雖然在相互遠離 但並不是從一個中心點向周圍散開的 另外大爆炸早期留下的熱量 和炮仗爆炸留下來的碎片分佈 是完全相反的 大爆炸留下的熱量 是均勻地充滿了整個宇宙 而炮仗的碎片它是怎麼樣分佈的 是從一個中心點輻射開來 靠近爆炸中心的位置最多 越往外越少對吧 而且還有最重要的一點不同就是 我們的宇宙似乎是沒有邊緣的 也沒有空無一物的地方 也就是古希臘人所認為的無限無邊界 而炮仗的爆炸它是有界限的 會在充滿碎片的空間和相鄰的空間之間 有一個移動的邊界 額我的感覺是您這一解釋還不如不解釋 越解釋越二胡 總之它要說的是宇宙大爆炸 其實比較不像是爆炸 更像是一個氣球的膨脹過程 要說炸也是不可思議之炸 在糾正了大夥頭腦當中 關於把大爆炸理解成大炮仗這種錯誤概念之後 說是糾正了倒不如說 它是成功地把讀者搞二胡了之後 馬瑟博士終於拋出了迄今黑韋伯最狠的一招 就是說韋伯望遠鏡你猜怎麼著 它其實不是迄今為止看得最久最遠的望遠鏡 馬瑟博士說目前有三個探測器 可以看到宇宙微波背景輻射 除了前面講的那個COBE探測器之外 還有兩個 分別是威爾金森微波探測器和普朗克巡天者探測器 因為這個微波背景輻射是大爆炸之後 38萬年留下的宇宙活化石 所以這三個探測器能夠比韋伯看到 更久遠之前的宇宙景象 而韋伯望遠鏡看到的是什麼呢 它主要是觀察大爆炸一年之後 早期恆星和星系的情況 馬瑟博士強調說 韋伯的設計目的並不是為了了解宇宙的開端 而是為了了解大爆炸之後 宇宙又冷卻之後的這段早期歷史 因為在這一個階段當中 形成了宇宙中的第一批物體 那這個時間段 比那三個微波背景探測器所看到的時間段 其實要晚個幾億年 那這是什麼意思呢 還記得咱們前面講的創世紀的故事嗎 COBE等三個探測器 它們是觀察上帝說要有光 那個時候留下的痕跡 而韋伯觀察的重點是在紅外光區 是觀察上帝把光和黑暗分開以後 所留下的痕跡 也就是說韋伯拍到的四大星系 相當於是神造物的第一天之內 所造就的事 恰好這纔是最不為人所知的 我們瞭解最少的一段宇宙歷史 說一千到一萬 他想說的是 大家不要把韋伯望遠鏡提供的數據 就當成實錘鐵證了 韋伯並不提供所有問題的答案 有的時候他交了答案也未必是對的 話雖這麼說 但現在的科學家還是不得不依賴韋伯 因為它畢竟是我們目前最強有力的工具 拿它和哈伯來對比說吧 過去哈伯望遠鏡 曾經觀察過一個編號叫IC1623的合併星系 它是由兩個星系碰撞以後融合形成的 但是這個星系被厚重的塵埃包裹著 哈伯費了九牛二虎之力 都看不出它那裏面的細節是什麼 但是韋伯一上天就不一樣了 一眼就看出了細節 這個星系裏有一個密集的恆星形成區域 在那裏恆星的生成速度 比我們銀河系要快出20倍 有科學家很激動地猜測 這個合併星系有可能正在創造一個 超大質量的黑洞 不過黑洞假設在韋伯拍到的圖像當中 還看不出來 當然韋伯並不是完美的 也有自己的侷限性 但是天文學中的很多疑難問題 現在還是隻有倚重韋伯來搞清楚 比如宇宙到底是什麼時候 產生了第一批恆星和星系 星系它的誕生過程又是怎麼樣的 沒有疑問的一點是 2023年韋伯還會給大家帶來更多的驚喜 很多固有的認知會被刷新 甚至會被推翻 更甚至關於宇宙生成的新的解釋 都會因為韋伯的工作而誕生 那麼好 今天的這個故事就分享到這兒 謝謝大家 如果您覺得咱們這個話題 或者咱們這個頻道有意思的話 就請訂閱關個注 下回更新不迷路 散會