【詹姆斯·韦布空间望远镜科普系列（1）—宇宙起源】
根据宇宙大爆炸理论，我们目前所生活的宇宙是由约137亿年前的一次大爆炸形成的。一开始，宇宙中的所有物质和能量都聚集在一起，形成一个质量极大、温度极高、密度极大的“奇点”，之后发生了大爆炸（Big Bang）。
大爆炸之后物质向外分散，宇宙空间也在不断膨胀，同时温度也在下降。在温度降低过程中，宇宙中本来只拥有的中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子组成氢、氘、氦等较轻的原子，并通过核反应等形成宇宙中其他的元素，星系、恒星、行星乃至生命也在这个奇妙的过程中诞生。
20世纪20年代，美国著名天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃（哈勃空间望远镜的名字为纪念他而命名）发现了“宇宙红移现象”，即一些天体发出的光在向地球传播过程中频率会不断降低、波长逐渐变长的现象。如果天体发出的是可见光，那么到达地球时会向波长较长的红光方向移动，甚至移动到比红光波长还长的红外波段。距离地球越远，即光的传播距离越长，光的“红移”就越多。
20世纪60年代，阿尔诺·彭齐亚斯（德裔美国天文学家）和罗伯特·威尔逊（美国天文学家）发现了“宇宙微波背景辐射”，一种被认为是宇宙大爆炸遗留下来的电磁波辐射，充满整个宇宙。阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊也因此获得1978年诺贝尔物理学奖。
“宇宙红移现象”和“宇宙微波背景辐射”有力支撑了关于宇宙起源的“大爆炸”学说。
Webb望远镜将会探索宇宙大爆炸早期发出的光、星系的演化、恒星的形成以及生命起源。
Webb望远镜的重要观测目标是宇宙深处距离地球十分遥远的一些“类星体”（Quasar）。类星体是一类非常明亮的、遥远的和活跃的超大质量黑洞，是太阳质量的百万倍到数十亿倍。由于距离地球很远，“红移现象”十分明显，这些天体发出的光到达地球时多数已经成为了红外光，并且光非常微弱。
Webb望远镜依靠对低度红外光极高的灵敏度和优异的角分辨率将会在太空中捕捉类星体发出的光芒并分析这些天体诸如质量、温度、组成等方面的特性。
在捕捉遥远天体发出的微光时，Webb其实也在穿越时间。因为这些光很可能来自数十亿年前甚至百亿年前，里面隐藏着有关宇宙起源和演化的奥秘。Webb望远镜的任务便是尽可能地向人们揭示头顶上的这片星空的历史。因此，Webb望远镜是全球天文学家的共同期待，是全人类了解宇宙的有力助手。
图1 ACO S 295星云（by Hubble空间望远镜）
图2 NGC 2146星系 （by Hubble）
图3 人类所在的太阳系（效果图）
图4 NGC 3568星系 （by Hubble）
图5 UGC 11537星系（by Hubble）
图6 NGC 2024星系（by Hubble）
图7 哈勃（Hubble）空间望远镜
图8、9 韦布空间望远镜
根据宇宙大爆炸理论，我们目前所生活的宇宙是由约137亿年前的一次大爆炸形成的。一开始，宇宙中的所有物质和能量都聚集在一起，形成一个质量极大、温度极高、密度极大的“奇点”，之后发生了大爆炸（Big Bang）。
大爆炸之后物质向外分散，宇宙空间也在不断膨胀，同时温度也在下降。在温度降低过程中，宇宙中本来只拥有的中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子组成氢、氘、氦等较轻的原子，并通过核反应等形成宇宙中其他的元素，星系、恒星、行星乃至生命也在这个奇妙的过程中诞生。
20世纪20年代，美国著名天文学家埃德温·鲍威尔·哈勃（哈勃空间望远镜的名字为纪念他而命名）发现了“宇宙红移现象”，即一些天体发出的光在向地球传播过程中频率会不断降低、波长逐渐变长的现象。如果天体发出的是可见光，那么到达地球时会向波长较长的红光方向移动，甚至移动到比红光波长还长的红外波段。距离地球越远，即光的传播距离越长，光的“红移”就越多。
20世纪60年代，阿尔诺·彭齐亚斯（德裔美国天文学家）和罗伯特·威尔逊（美国天文学家）发现了“宇宙微波背景辐射”，一种被认为是宇宙大爆炸遗留下来的电磁波辐射，充满整个宇宙。阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊也因此获得1978年诺贝尔物理学奖。
“宇宙红移现象”和“宇宙微波背景辐射”有力支撑了关于宇宙起源的“大爆炸”学说。
Webb望远镜将会探索宇宙大爆炸早期发出的光、星系的演化、恒星的形成以及生命起源。
Webb望远镜的重要观测目标是宇宙深处距离地球十分遥远的一些“类星体”（Quasar）。类星体是一类非常明亮的、遥远的和活跃的超大质量黑洞，是太阳质量的百万倍到数十亿倍。由于距离地球很远，“红移现象”十分明显，这些天体发出的光到达地球时多数已经成为了红外光，并且光非常微弱。
Webb望远镜依靠对低度红外光极高的灵敏度和优异的角分辨率将会在太空中捕捉类星体发出的光芒并分析这些天体诸如质量、温度、组成等方面的特性。
在捕捉遥远天体发出的微光时，Webb其实也在穿越时间。因为这些光很可能来自数十亿年前甚至百亿年前，里面隐藏着有关宇宙起源和演化的奥秘。Webb望远镜的任务便是尽可能地向人们揭示头顶上的这片星空的历史。因此，Webb望远镜是全球天文学家的共同期待，是全人类了解宇宙的有力助手。
图1 ACO S 295星云（by Hubble空间望远镜）
图2 NGC 2146星系 （by Hubble）
图3 人类所在的太阳系（效果图）
图4 NGC 3568星系 （by Hubble）
图5 UGC 11537星系（by Hubble）
图6 NGC 2024星系（by Hubble）
图7 哈勃（Hubble）空间望远镜
图8、9 韦布空间望远镜
#宇宙# 图内几乎每个天体都是一个星系。后发星系团是已知最致密的星系团之一，它包含有数千个星系，每个星系又包含至少数十亿颗恒星。虽然和其它星系团比较，后发星系团离开地球很近，但是来自后发的光仍然要数亿年才能到达地球。后发星系团如此巨大，星光从星系团的一头横穿到另一头需要数百万年时间！后发星系团和其它星系团内的大部分星系都是椭圆星系，而星系团以外的大部分星系则都是旋涡星系。
权威解读｜破解月球之谜的“钥匙”
#航天快讯#
尽管民众对月球失去兴趣，但是对于科学家而言，此时月球探测的科学意义才刚刚开始显现：美苏带回的近400千克月球岩石样品，成为了打开关于月球诸多未解之谜的钥匙。从1969年开始，美国在三年内通过六次阿波罗载人登月任务返回月球样品达381.7kg，而苏联开展了三次无人月球车采样任务，仅带回0.3kg月球样品。
月球起源之谜
这些月球样品，让人类得以在实验室对月球岩石进行近距离的观察和分析，取得的研究结果完全颠覆了之前关于月球形成的理论模型。
由于持续存在活跃的地质活动，在地球上关于太阳系早期演化信息的记录恰好是被“抹除”掉的，这极大地限制了我们对太阳系早期演化的认识。但是对月球样品的研究指示月球在三十亿年前便已经处于“僵死”状态——月表的岩石数十亿年都没有经历显著的内生地质作用的改造，是一座古老的“化石世界”，也是太阳系早期演化历史最好的记录者之一。
科学家在这些样品中找到了近45亿年前形成的“创世”岩，这几乎和太阳系的形成年龄相近，这些古老的“化石”对科学家而言，是一座真正的科学矿产，可以帮助我们回答月球是如何形成的等关键问题。
之前的一种理论认为，月球和地球来自相同的星云，是由星云的直接凝聚吸积形成；另一种理论则认为月球与地球毫无关联，是被地球引力捕获而成为地球卫星。
但是，月岩特殊的岩石类型不支持任何一种理论，因此一种新的理论被提出，那是一个残酷而壮美的故事：在太阳系形成之初，太阳附近围绕着许多行星和小行星，其中之一就是年轻的地球，此时有一个火星大小的天体（忒伊亚）撞击原始地球，造成了太阳系内罕见的大碰撞事件，并抛出大量碎片物质，这些物质随后在地球轨道上凝聚，最终形成了一个独立的星体——月球。
月球演化之谜
对月球返回样品的研究同样也加深了我们对于行星演化过程的认识。对月岩的研究指示月球由多种火成岩石类型组成，月表可直接观测到的明暗特征是由于月球高地区域以白色斜长岩为主，而月海区域主要是暗色玄武质岩石。如此大面积的斜长岩在月球高地区域出露为科学家提供了新的视角去认识月球的演化历史。科学家认为月球在形成初期经历了全球性的“岩浆洋”事件，由于早期结晶的斜长石的密度低于熔体，使得其在岩浆中上浮并聚集形成我们所观察到的斜长质月壳，该理论模型被称为“岩浆洋”模型。
“岩浆洋”模型的确立构建了整个月球早期的岩浆分异历史。克里普岩（KREEP）作为全球“岩浆洋”假说的另一个重要月球化学证据也在返回样品中被发现，该岩石以富集钾，稀土以及磷等不相容元素为特征，是“岩浆洋”最后残余熔体固化的产物，此类物质中包含的放射性元素（U，Th，Pb）作为岩浆热源对月球火山活动的持续时间也具有一定启示意义。众多返回样品同位素年代学的数据也指示月壳与月幔的主要结构符合岩浆洋演化的模型。月球返回样品的研究对月球早期岩浆演化的细节提供了众多线索，“岩浆洋”模型可以解释月球样品的主要特征。
月球“水”之谜
阿波罗时期所获得的数据都指示月球是极度贫水的，更不可能存在生命，这一度使得人们对月球彻底失去兴趣，并将目标转向其他天体的卫星。在二十世纪七十年代晚期，“旅行者”号飞掠木星时，科学家在木卫二观察到冰层的存在，这证明木卫二可能存在生命的关键元素。
这惊人的发现让科学家认识到同为卫星的月球值得再次被仔细观察。于是在1994年，美国发射“克莱门汀”号无人轨道探测器再度前往月球。此次任务对月球的两极开展探测，并检测到残留的冰迹信号，这一重大发现彻底改变了人们对于月球的认识——看来贫瘠的月球，其实并没有那么不宜居住。突然间，月球的无限可能再次涌现。科学家也意识到曾经对月球样品中水的认识可能是受限于当时的分析测试手段，其含量完全被人们忽视。随后便有学者通过先进仪器重新对阿波罗样品中的水进行测定，并先后发现了月球玻璃质、熔体包裹体以及磷酸盐矿物中含有一定量的水。
水的发现极大地改变了人们对于“干”月球的认识，并推动了太阳系内各天体水来源的进一步研究。当然，月球水存在的巨大价值体现在人们可以开始利用月球，水的存在为月表氧气和火箭氢燃料的制备以及氢气还原冶炼金属等问题的解决提供了可能。由于月球处于高真空的环境中，其引力相当于地球的六分之一，因此建立月球基地并将其作为征服宇宙的跳板，可以大幅降低未来探索太空的成本。
月壤形成改造之谜
月球表面物质普遍具有较古老的年龄，并且缺乏磁场和大气，这使得月表物质在毫无保护的条件下长期经受了来自空间环境中微陨石的撞击以及太阳风等粒子的辐射作用，进而形成细粒的风化层物质覆盖全月。对月球样品的研究证明了行星体表面物质在空间环境作用下可以发生诸多改造过程，包括太阳风注入引起的物质表层非晶化，显著改变光谱的纳米级单质金属铁的形成，陨石撞击过程中亲铁元素的并入以及高能粒子在矿物内部产生的辐射径迹等。
对返回样品中这些空间作用过程机制的认识，有助于解释月球某些特殊现象，比如月球“漩涡”被认为是月球局部磁场的存在使得该区域缺乏太阳风粒子的注入而导致风化的减弱，月球辉光则是由于发生静电迁移的尘埃散射太阳光形成。这方面的研究极大地促进了我们对太阳风演化历史、太阳系撞击通量变化以及空间辐射作用的认识，也帮助我们了解了其他无大气行星体表面物质的演化过程，改善了我们对未知行星体光谱特征解译的准确度。
月壤年龄之谜
遥感探测数据表明，月球高地区域相比于月海区域撞击坑更加密集，经历的撞击事件更多。该发现推动了月表相对年代学体系的建立，即月球上年轻的地体相比于古老地体，会经历更少的撞击作用。
美苏月球返回样品的绝对年代学研究，将月表撞击坑频率统计确定的相对年龄转换为绝对岩石年龄，实现了太阳系40亿至30亿年期间撞击坑频率统计的相对年龄与绝对年龄的一一对应。这对月表未采样区域的年代学确定以及对人类未曾踏足的地外天体的地层年代学建立具有非常重大的意义。
除此之外，科学家通过对一系列月球角砾岩以及撞击玻璃样品的年代学研究，发现这些岩石普遍存在39亿年的撞击年龄，该结果指示整个内太阳系在39亿年左右经历了大范围的撞击体轰击事件，该事件促进了科学家对太阳系内水的来源以及地球生命起源的思考。
#航天快讯#
尽管民众对月球失去兴趣，但是对于科学家而言，此时月球探测的科学意义才刚刚开始显现：美苏带回的近400千克月球岩石样品，成为了打开关于月球诸多未解之谜的钥匙。从1969年开始，美国在三年内通过六次阿波罗载人登月任务返回月球样品达381.7kg，而苏联开展了三次无人月球车采样任务，仅带回0.3kg月球样品。
月球起源之谜
这些月球样品，让人类得以在实验室对月球岩石进行近距离的观察和分析，取得的研究结果完全颠覆了之前关于月球形成的理论模型。
由于持续存在活跃的地质活动，在地球上关于太阳系早期演化信息的记录恰好是被“抹除”掉的，这极大地限制了我们对太阳系早期演化的认识。但是对月球样品的研究指示月球在三十亿年前便已经处于“僵死”状态——月表的岩石数十亿年都没有经历显著的内生地质作用的改造，是一座古老的“化石世界”，也是太阳系早期演化历史最好的记录者之一。
科学家在这些样品中找到了近45亿年前形成的“创世”岩，这几乎和太阳系的形成年龄相近，这些古老的“化石”对科学家而言，是一座真正的科学矿产，可以帮助我们回答月球是如何形成的等关键问题。
之前的一种理论认为，月球和地球来自相同的星云，是由星云的直接凝聚吸积形成；另一种理论则认为月球与地球毫无关联，是被地球引力捕获而成为地球卫星。
但是，月岩特殊的岩石类型不支持任何一种理论，因此一种新的理论被提出，那是一个残酷而壮美的故事：在太阳系形成之初，太阳附近围绕着许多行星和小行星，其中之一就是年轻的地球，此时有一个火星大小的天体（忒伊亚）撞击原始地球，造成了太阳系内罕见的大碰撞事件，并抛出大量碎片物质，这些物质随后在地球轨道上凝聚，最终形成了一个独立的星体——月球。
月球演化之谜
对月球返回样品的研究同样也加深了我们对于行星演化过程的认识。对月岩的研究指示月球由多种火成岩石类型组成，月表可直接观测到的明暗特征是由于月球高地区域以白色斜长岩为主，而月海区域主要是暗色玄武质岩石。如此大面积的斜长岩在月球高地区域出露为科学家提供了新的视角去认识月球的演化历史。科学家认为月球在形成初期经历了全球性的“岩浆洋”事件，由于早期结晶的斜长石的密度低于熔体，使得其在岩浆中上浮并聚集形成我们所观察到的斜长质月壳，该理论模型被称为“岩浆洋”模型。
“岩浆洋”模型的确立构建了整个月球早期的岩浆分异历史。克里普岩（KREEP）作为全球“岩浆洋”假说的另一个重要月球化学证据也在返回样品中被发现，该岩石以富集钾，稀土以及磷等不相容元素为特征，是“岩浆洋”最后残余熔体固化的产物，此类物质中包含的放射性元素（U，Th，Pb）作为岩浆热源对月球火山活动的持续时间也具有一定启示意义。众多返回样品同位素年代学的数据也指示月壳与月幔的主要结构符合岩浆洋演化的模型。月球返回样品的研究对月球早期岩浆演化的细节提供了众多线索，“岩浆洋”模型可以解释月球样品的主要特征。
月球“水”之谜
阿波罗时期所获得的数据都指示月球是极度贫水的，更不可能存在生命，这一度使得人们对月球彻底失去兴趣，并将目标转向其他天体的卫星。在二十世纪七十年代晚期，“旅行者”号飞掠木星时，科学家在木卫二观察到冰层的存在，这证明木卫二可能存在生命的关键元素。
这惊人的发现让科学家认识到同为卫星的月球值得再次被仔细观察。于是在1994年，美国发射“克莱门汀”号无人轨道探测器再度前往月球。此次任务对月球的两极开展探测，并检测到残留的冰迹信号，这一重大发现彻底改变了人们对于月球的认识——看来贫瘠的月球，其实并没有那么不宜居住。突然间，月球的无限可能再次涌现。科学家也意识到曾经对月球样品中水的认识可能是受限于当时的分析测试手段，其含量完全被人们忽视。随后便有学者通过先进仪器重新对阿波罗样品中的水进行测定，并先后发现了月球玻璃质、熔体包裹体以及磷酸盐矿物中含有一定量的水。
水的发现极大地改变了人们对于“干”月球的认识，并推动了太阳系内各天体水来源的进一步研究。当然，月球水存在的巨大价值体现在人们可以开始利用月球，水的存在为月表氧气和火箭氢燃料的制备以及氢气还原冶炼金属等问题的解决提供了可能。由于月球处于高真空的环境中，其引力相当于地球的六分之一，因此建立月球基地并将其作为征服宇宙的跳板，可以大幅降低未来探索太空的成本。
月壤形成改造之谜
月球表面物质普遍具有较古老的年龄，并且缺乏磁场和大气，这使得月表物质在毫无保护的条件下长期经受了来自空间环境中微陨石的撞击以及太阳风等粒子的辐射作用，进而形成细粒的风化层物质覆盖全月。对月球样品的研究证明了行星体表面物质在空间环境作用下可以发生诸多改造过程，包括太阳风注入引起的物质表层非晶化，显著改变光谱的纳米级单质金属铁的形成，陨石撞击过程中亲铁元素的并入以及高能粒子在矿物内部产生的辐射径迹等。
对返回样品中这些空间作用过程机制的认识，有助于解释月球某些特殊现象，比如月球“漩涡”被认为是月球局部磁场的存在使得该区域缺乏太阳风粒子的注入而导致风化的减弱，月球辉光则是由于发生静电迁移的尘埃散射太阳光形成。这方面的研究极大地促进了我们对太阳风演化历史、太阳系撞击通量变化以及空间辐射作用的认识，也帮助我们了解了其他无大气行星体表面物质的演化过程，改善了我们对未知行星体光谱特征解译的准确度。
月壤年龄之谜
遥感探测数据表明，月球高地区域相比于月海区域撞击坑更加密集，经历的撞击事件更多。该发现推动了月表相对年代学体系的建立，即月球上年轻的地体相比于古老地体，会经历更少的撞击作用。
美苏月球返回样品的绝对年代学研究，将月表撞击坑频率统计确定的相对年龄转换为绝对岩石年龄，实现了太阳系40亿至30亿年期间撞击坑频率统计的相对年龄与绝对年龄的一一对应。这对月表未采样区域的年代学确定以及对人类未曾踏足的地外天体的地层年代学建立具有非常重大的意义。
除此之外，科学家通过对一系列月球角砾岩以及撞击玻璃样品的年代学研究，发现这些岩石普遍存在39亿年的撞击年龄，该结果指示整个内太阳系在39亿年左右经历了大范围的撞击体轰击事件，该事件促进了科学家对太阳系内水的来源以及地球生命起源的思考。
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