从宇宙黎明到詹姆斯·韦布太空望远镜

理查德·艾利斯（Richard Ellis）曾经先后在杜伦大学、剑桥大学、加州理工学院工作，之后在2015年回到母校伦敦大学学院继续进行观测宇宙学研究。他主要研究在宇宙的“黎明时期”形成的恒星和星系，以及宇宙中暗物质的分布。他也是暗能量的发现者之一。2022年6月，艾利斯教授在伦敦首次接受了本刊的采访，谈及当时即将开始宇宙探测的詹姆斯·韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope），他对其寄予极大的希望，认为这个价值100亿美元的太空望远镜的发现将会极大促进人类对于宇宙黎明时期的理解。在几个月之后，詹姆斯·韦布太空望远镜向地球发回了大量宇宙探测数据。艾利斯教授再一次接受了本刊的专访。

| 黎明时期

在宇宙大爆炸发生之后，宇宙中充满了暗物质和气体云。在这段时间整个宇宙处于黑暗之中。随后随着气体云逐渐聚集，并在引力的作用下形成了恒星和星系，整个宇宙第一次被“点亮”。这段时期被称为宇宙的“黎明时期”，也是目前宇宙学研究的一个重点。

三联生活周刊：詹姆斯·韦布太空望远镜已经开始陆续发回它的探测数据。我们可以从中了解到哪些信息？

艾利斯：詹姆斯·韦布太空望远镜所取得的数据、图像，尤其是光谱，可以说都非常卓越，超出了我的预期。在太空中进行探测3个月之后，世界上已经出现了50篇基于它的探测数据探讨宇宙初期星系的科学论文。我试着读了所有的这些论文，理解他们的思路。对我来说这是一段令人激动的时间。

我认为从詹姆斯·韦布太空望远镜发回的第一批数据来看，有两个非常明显也让我感到非常兴奋的方面：一方面是我们观测到了超出哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）能力的早期星系。有很强的证据显示，我们已经观测到了很多红移超过了10的星系。如果说有让人迷惑之处，那就是我们还观测到了很多非常明亮的星系。这对我们关于宇宙中星系形成的模型提出了挑战。另一方面是关于光谱学研究。哈勃太空望远镜并没有很好的光谱仪，它主要是用于拍摄。在哈勃太空望远镜的工作期间，很多的光谱学研究都是在地面上进行的。詹姆斯·韦布太空望远镜要比哈勃更大，它装有非常先进的光谱仪。所以我们第一次获得了宇宙在再电离时期红移超过7的高质量星系光谱数据。

目前我们已经仔细分析了数百个星系的光谱数据，很多数据还没有对外公布。我可以说，因为数据的质量相当高，我们第一次可以分析宇宙中早期星系的化学成分。对于地面探测来说，分析星系的化学成分，以及星系内气体的化学成分一直都是难度很大的工作。现在通过詹姆斯·韦布太空望远镜，我们可以理解宇宙中早期星系中气体化学成分的演化。这是一个非常新的，也是对我们之前的研究有很大补充的研究领域。所以我认为发现大量哈勃太空望远镜无法发现的早期星系，以及分析这些早期星系的化学成分，是詹姆斯·韦布太空望远镜带来的最主要的两个进步。

| 红移

因为宇宙空间处于膨胀的状态，因此从遥远的星系传到地球的光线会发生频率上的改变。在可见光波段光谱的谱线会向红端移动，波长变长，频率降低。大致可以理解为距离地球越远的天体发射的光线到达地球后，其红移也就越高。在宇宙中光速不变，因此也可以理解为观测到光线的红移越高，发射光线的天体形成的时间也就越早。想要探测在130多亿年前宇宙黎明时期的天体，判断其红移是一个重要标准。

三联生活周刊：你曾经说还没有发现宇宙中最早形成的恒星和星系。现在借助詹姆斯·韦布太空望远镜，你是否能够发现这些恒星和星系？

艾利斯：首先我想祝贺我自己，我成功地预测了会观测到红移超过15乃至16的星系。有证据显示，我的预测实现了。我们现在正在观察这些星系的图像，并且通过它们的“颜色”估计它们的红移。至于判断它们究竟是不是宇宙中最早的一批星系，还需要更多的细节。我认为到了明年，确定它们是宇宙中最早星系的证据将会很强。有两个理由：首先，我们是在观测宇宙中非常早期的星系。现在观测到的是宇宙大爆炸发生2.5亿年之后的星系——这时的宇宙还不到它现在年龄的2%。我们也有能力去测量它们的化学成分。要实现这个目标并不容易，需要詹姆斯·韦布太空望远镜进行长时间的观测，但是计算结果显示这是有可能做到的。

让我们再回到之前的话题。詹姆斯·韦布太空望远镜观测到的一些早期星系显得令人吃惊地非常明亮。关于我们能否解释为什么在宇宙早期会有这么多明亮的星系，目前在网络上存在着争论。可以有两种方式去理解这个问题：第一是这些星系究竟有多明亮？第二是这些星系是第一次点亮了宇宙，有没有可能它们看上去如此明亮只是一种暂时现象，我们所观察到的只是它们非常特殊的一个时期？当然目前还没法回答这个问题，因为我们所看到的只是在一个时间点上的照片。

另外，我们也可以试着去测量这些恒星和星系的质量。有人正试着做这项工作。他们声称这些恒星的质量比我们通过标准宇宙模型（Standard Model of Cosmology）预测的更大——根据标准宇宙模型的预测，每个星系的周围都被大量的暗物质所围绕。而且通过这个模型，我们非常准确地预测了宇宙诞生初期暗物质的质量。我们也非常清楚星系中的普通物质与暗物质之间质量的比例。因此有理论学家认为，根据标准宇宙模型，这些明亮星系的质量太大，以至于无法维持。

如果这个理论是正确的，就意味着我们做出了一个重大的发现，我们需要重新考虑宇宙在诞生初期的结构是如何形成的。而另一方面，目前我们还无法确定这些星系的质量。根据我个人的判断，现在还不需要为标准宇宙模型感到担心。现在有些媒体人已经非常兴奋地写道“詹姆斯·韦布太空望远镜的发现颠覆了人类的宇宙学理论”，甚至有人写“詹姆斯·韦布太空望远镜证明宇宙大爆炸并不存在”——这都是非常荒谬的。我们要等到尘埃落定，做了更多的观测之后才能得到确切的结论。但这也说明了人们现在有多么的兴奋。每一天，关于詹姆斯·韦布太空望远镜做出的每一个发现，在网络上都会出现新的论文，都有人在进行激烈的辩论。

三联生活周刊：有没有可能詹姆斯·韦布太空望远镜恰好指向了宇宙中一个星系非常密集的区域？

艾利斯：有这种可能。目前詹姆斯·韦布太空望远镜所探测过的天空面积是非常小的，只有4～5个深空（deep fields）。其中一些是通过星团（cluster）的引力透镜（gravitational lenses）效应进行观测的，一些是天空中已经被哈勃太空望远镜拍摄过的区域。所以我们应该对其中的不确定性非常小心。我们也可能就是非常幸运，这么快发现了如此之多的天体。

三联生活周刊：詹姆斯·韦布太空望远镜除发现了亮度极高的早期星系，超出人们的预期之外，还有什么其他的惊喜？

艾利斯：我们还测量了星系的大小和颜色，以及它们的能量分布。其中一个令人兴奋的结果就是，通过光谱研究我们发现在星系中有一些恒星属于老年恒星。关于这方面还存在着很多的争论。有人认为我们除了要计算出宇宙中的星系数量随时间变化而发生变化的规律之外，还需要在某一个时间点上取一个“切片”，研究在这个时间点上星系的年龄——它们究竟都是刚刚形成，还是其中的一些已经进入老年？我的研究组就正在做这样的研究，我们发现，其实存在着混合。

这项研究还在开始阶段。我们并没有选择一个极早的时间，而是选择了在宇宙大爆炸大约6亿年后的30个星系作为样本进行研究。我们发现其中有一半的星系是刚刚形成的——这符合我们的预期，因为星系并不是一下子就能够形成，它们需要时间慢慢成型；但是另一半的星系在那个时间点上就已经很老了。通过这样的研究，我们在慢慢建立起一个图景，即星系数量随着时间推移发生了变化。下一步我们就要做这样一个调查，关于宇宙中星系数量的变化曲线。这就要完全依赖詹姆斯·韦布太空望远镜进行的观测了。

另外一个问题在于，这些早期星系中是否含有黑洞？要知道，在宇宙形成10亿年之内，就存在有类星体（quasar），其中含有超大质量黑洞。我们当时非常难以理解这么大的黑洞如何能够迅速形成。如果能够发现在宇宙形成的初期就存在黑洞的证据，那么我们大概也可以推导出黑洞在宇宙中发展的规律。目前还没有这方面的科学论文，但是我知道很多人正在进行这方面的研究。他们仔细检查早期星系的光谱，想在其中发现黑洞存在的证据。我认为在未来几个月，这将会是一个非常有趣的研究领域。

三联生活周刊：人们希望詹姆斯·韦布太空望远镜能够工作10年时间。现在它才工作了不到半年，在未来我们对它还有什么期待？

艾利斯：人们最初建造詹姆斯·韦布太空望远镜时，对它的估计是工作5年时间，并且期望它能够工作10年时间。它的寿命取决于两个方面：一是它自身携带的燃料。因为它需要能量来维持在一个稳定的轨道上。詹姆斯·韦布太空望远镜并不是固定的，而是围绕着一个地球和太阳的引力平衡点（拉格朗日点）在一个很小的轨道上运转，使自己和地球以同样的角速度围绕太阳运行。但它也需要能够看到太阳，不能完全被地球遮挡住，因此它就有一个非常复杂的“8”字形轨道，还需要利用发动机来纠正自己的轨道位置。另外一个决定性的因素就是在地面上操纵詹姆斯·韦布太空望远镜的工作人员的工资。

人们最初对于詹姆斯·韦布太空望远镜的期待是能够工作5～10年时间。但是因为在火箭发射和使它抵达预期地点的过程中非常完美，节省了很多的燃料，现在我们认为它可以至少工作10年，甚至可能达到15年。这实在是太好了！

最开始我以为詹姆斯·韦布太空望远镜只能工作5年的时候，我认为这对于科学研究来说这是一段非常短的时间，因为我们需要对它所发回的数据进行反应。当你每次发现新的结果，就会产生新的想法。我们认为詹姆斯·韦布太空望远镜和哈勃太空望远镜完全不同——哈勃已经工作了30年时间，而且仍然在工作。每一年我们都会利用哈勃进行新的工作。

我认为詹姆斯·韦布太空望远镜会有惊人的发现。在探测宇宙黎明时期的过程中——当时整个宇宙的年龄只有2亿年到3亿年，在这之前宇宙中只有黑暗——詹姆斯·韦布太空望远镜有能力观测到红移超过20的天体。我们可能会发现一些非常奇异的天体，有可能是星团（star clusters）。我很有信心，借助着詹姆斯·韦布太空望远镜的强大能力，我们会做出一些非常了不起的发现。

当时有很多人认为哈勃太空望远镜没有能力观测到红移超过3的天体。在2006年，当时空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute）的主任罗伯特·威廉姆斯（Robert Williams）首先提出了哈勃深空观测。很多人都认为他是在发疯，因为在红移超过3的遥远距离根本看不到任何东西。而现在我们在观测红移超过15的天体，而且我们相信，我们正在逼近宇宙的开端。我敢打赌，在更早期的宇宙中还存在着什么令我们感到惊讶的东西，比如说一些红移超过25的天体。我们会百思不得其解，它们究竟是怎么形成的？詹姆斯·韦布太空望远镜目前工作非常正常，而且能力非常强大。我们应该让它进行长时间的曝光，看看能够发现些什么。

宇宙大爆炸产生出了物质，但宇宙还处于黑暗之中，其中有大量的氢气云存在。随后这些氢气云塌缩在一起，形成了恒星和星系，我们称之为宇宙黎明。还存在着另一种可能，在星系形成之前，就有和星系规模类似的星团，它们只闪耀了相对很短的时间，之后就熄灭了。之后更大的氢气云发生塌缩，于是我们就看到星系的诞生。目前我们假设恒星和星系是同时形成的，但是也有一种可能，就是恒星在最初形成之后独立存在，当时并没有星系存在。当然，想要找到这样的恒星会非常困难，因为它们会显得非常黯淡。

| 深空观测（deep field observation）

指的是为了观察一些黯淡的天体，对天空中某个特定区域进行长时间的观测，收集其发射的光线。

| 引力透镜（granvitational lense）

根据相对论，光在经过大质量物质的附近时会发生偏转。因此光在穿过星系团到达地球的过程中会因为其巨大的引力作用发生偏转。在地球上观测发生了偏转的光线，这个效果与观察凸透镜的放大效果类似。天文学家利用这个现象进行宇宙观测，把它称为“引力透镜”。

三联生活周刊：在通过詹姆斯·韦布太空望远镜进行观测时仍然能够借助引力透镜的作用吗？

艾利斯：可以。就像在利用哈勃太空望远镜进行观测时一样，也有人提议让詹姆斯·韦布太空望远镜透过星系团进行观测。借助引力透镜效应，有些星系会被放大20倍到30倍。如果不通过引力透镜效应是不可能观测得到它们的存在的。同样，第一代的恒星也可能非常黯淡，在理论上我们也可以借助引力透镜天然的放大效应进行观测。

对于某一个特定的引力透镜，我们知道它对于某个区域的放大效应是非常强的。天空中的引力透镜，比如说一个星系团（cluster of galaxies）并不是对背后的天空进行统一放大，而是对其中某一个区域进行放大——如果向更远处推进，放大效应就会减弱了。因此人们需要知道究竟该向哪里观测（才能利用到引力透镜）。坏消息是，被放大部分的天空面积同样也被放大了。因此当我们观测一个被引力透镜放大的区域，实际上只是一个极小的区域，在那里有可能什么都没有。人们需要不断地尝试。通过詹姆斯·韦布太空望远镜的观测，已经有两个利用引力透镜进行观测的项目，其中一个已经发表了观测成果。

三联生活周刊：詹姆斯·韦布太空望远镜有没有可能帮助我们理解暗能量？

艾利斯：不能。詹姆斯·韦布太空望远镜并不会进行与暗能量有关的探测。暗能量是一种空间中的斥力。当宇宙的年龄不大时，其中的物质密度很高，当时引力作用是起主导地位的。在宇宙的早期阶段，暗能量的作用是可以忽略不计的。当时宇宙的形成和发展完全是由其中的物质所决定的，其中最主要的是暗物质。只有在宇宙发展的后期——当宇宙的年龄稍大于目前太阳系的年龄时，暗能量的效应才开始显现，成为主宰宇宙发展的力量。所以说，暗能量是一个在宇宙的后期历史中才需要被考虑的因素。想要研究暗能量，最好的方法是在地面上利用有大视场的望远镜进行巡天观测。测量宇宙膨胀的历史。詹姆斯·韦布太空望远镜的视角很窄，而且它向宇宙的深处进行观测，并不适合用来研究暗能量。

三联生活周刊：很多人认为詹姆斯·韦布太空望远镜是哈勃太空望远镜的继任者。那么在它之后又会有什么样的太空望远镜出现？是否已经有了这样的计划，或是已经开始建造下一代的太空望远镜？

艾利斯：这两个太空望远镜之间有很大的差别。首先，哈勃太空望远镜是一个真正的观测站，装备有用来研究太阳系、单独的恒星、附近星系、遥远星系等天体的仪器，所以说它几乎涵盖了天体物理学的所有方面。而大多数人会同意，詹姆斯·韦布太空望远镜主要是在两方面比较擅长，一方面是观测早期的宇宙，另一方面是观测恒星周围的行星。大多数天文学家并不研究这两个领域，那么他们需要的是哈勃太空望远镜的替代者，在这方面的计划叫作“大型紫外/光学/红外巡天望远镜”（The Large Ultraviolet Optical Infrared，LUVOIR）。这将是一个发射到太空中的10米望远镜。

在成功发射了詹姆斯·韦布太空望远镜之后，人们意识到可以将镜片的不同部分折叠起来发射到太空中，因此可以建造更大的太空望远镜。目前美国航空航天局（NASA）正在设计一个更大的太空望远镜，如果一切顺利，可能会在2035年到2037年之间发射。我们假设詹姆斯·韦布太空望远镜可以一直工作到2027年，那么它将会替代其工作。它会承担更多的科学观测任务，并不只是一个加大版的詹姆斯·韦布太空望远镜。

即将在明年发射的欧几里得卫星（Euclid）是一个巡天望远镜，有极大的视野，主要在接近红外的光学范围内观测红移在2以内的数以亿计的星系，分析它们的分布，进行宇宙学研究。在几年之内美国航空航天局还会发射罗曼太空望远镜（Nancy Roman Space Telescope），它类似于一个更大版本的欧几里得卫星。这两个望远镜都无法与詹姆斯·韦布太空望远镜进行竞争，它们没有那么大的镜片，无法观测红外线，也无法进行光谱学研究。

三联生活周刊：天文望远镜也在不断的演化过程之中。

艾利斯：天文学研究最初是一种国家工程。例如英国、法国、美国……都有自己的天文望远镜。在天文望远镜还相对较小的时代很容易建造，当时很多美国的大学里都有自己用来进行观测的天文望远镜。当天文望远镜变得更大，建造的价格越来越高，这时就需要合作建造望远镜了。国家之间以及不同的机构之间会进行合作。加州理工学院与加州大学合作建造了凯克天文台（Keck Observatory），欧洲南方天文台（The European Southern Observatory，ESO）集合了18个国家的力量，在南美建造了天文望远镜。最初只有美国和欧洲国家有能力发射太空望远镜，之后这逐渐成为一个国际合作的领域。比如欧洲核子中心（CERN）成为全世界高能物理学家进行粒子物理学研究的中心，目前天文学研究也逐渐成为一个国际合作的研究领域。中国目前正在建造自己的太空望远镜和地面上的天文望远镜，它可能是世界上除美国之外唯一一个可以独自进行这种大型项目的国家。实际上我也不知道望远镜会发展到什么程度，最后我们会有一个充满着各式各样天文望远镜的世界吗？

随着时代和技术进步，望远镜也在不断发生改变。帕洛马山天文台（Palomar Observatory）首先采用轻型镜片，可以追踪恒星；英澳望远镜（Anglo-Australian Telescope）则是第一个由电脑控制的望远镜；威廉·赫歇尔望远镜（William Herschel Telescope）采用了全新的设计，将沉重的设备放在平台上，而不是与光学仪器放在一起；随后这样的设计成为凯克天文台的设计标准，而且还具有分节镜片（segmented mirror）；之后的加那利大型望远镜（Gran Telescopio Canarias）也采取了这样的设计……直到詹姆斯·韦布太空望远镜。这一系列发展标志着天文望远镜的进化以及几十年来技术的进步。

三联生活周刊：作为一个天文学家，你如何理解人类为什么在宇宙中如此孤独？

艾利斯：这个问题有两个方面。一方面，现在大多数天文学家都感到很乐观，相信在宇宙中的其他地方也有生命存在。他们的论据就是目前已经发现了超过5000颗系外行星，其中很多都具有围绕某个恒星运转的稳定轨道。在这些行星的表面可能存在有液态水。我们甚至通过詹姆斯·韦布太空望远镜发现了一颗行星的大气中有水存在的证据。人们因此相信太阳系并不特别，人类并不特别，宇宙中的生命现象很普遍。

但是我对此感到怀疑。我的妻子是一个生物学家，她向我解释，产生出单个的细胞还较为容易，但是从单个细胞发展成为一个多细胞的复杂生物则是一个极其巨大的跨越。人类目前还不清楚这个过程的细节。对于地球来说，这可能也是一个极小概率事件。因此，尽管我们发现了众多的行星，但是这并不重要，也无法回答为什么人类看起来在宇宙中独一无二的难题。在生物学家可以理解从单细胞生命到多细胞生命演化的过程之前，天文学家都无法单独回答这个问题。这与人类理解在地球上发生的生命演化现象有关。目前出现了一个全新的学科叫作天体生物学（Astrobiology），说实话，我并不认为这门学科的研究者能够在这个基础问题上取得什么进步。 宇宙太空望远镜