重力辅助：用韦布追踪银河系历史
为了帮助科学家预测詹姆斯•韦伯太空望远镜将看到什么，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的Aaron Yung对早期宇宙中的星系进行了模拟。左边是哈勃太空望远镜拍摄的超深场图像；中间是哈勃望远镜视图的模拟；对，韦布将会看到的一个模拟。
12月25日发射的詹姆斯•韦伯太空望远镜将使我们能够看到最远的星系，并更好地了解银河系的起源。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的Aaron Yung正在模拟韦布在早期宇宙中看到的景象，为这些历史性观测做准备。但Aaron的研究之路并不容易。当他十几岁来到美国时，他说的是一种不同的母语，没有其他孩子对数学和物理的准备。在本期《地心引力辅助》中了解亚伦的旅程。
吉姆•格林：我们新的詹姆斯•韦伯太空望远镜是一台时间机器，观测组成早期宇宙的早期恒星和气体。
容：通过观察从远处到附近的星系，我们可以把宇宙的进化史拼凑起来。
吉姆•格林：嗨，我是吉姆 绿色这是美国国家航空航天局的星际脱口秀节目《地心引力辅助》。我们将探索美国国家航空航天局的内部运作，并与那些执行太空任务的迷人人物见面。
Jim Green：我和Aaron Yung博士在一起，他是马里兰州格林贝尔特戈达德太空飞行中心的美国国家航空航天局博士后。Aaron一直在从事各种与詹姆斯•韦伯太空望远镜如何研究早期宇宙有关的项目。詹姆斯•韦伯当然是我们发射过的最强大的红外太空望远镜。它将在今年晚些时候开始开创性的科学研究，并将进行首次观测。欢迎，亚伦，加入重力辅助。
容：谢谢你邀请我，金。
吉姆•格林：嗯，我很高兴能和你交谈，因为詹姆斯•韦伯有一台如此壮观的望远镜。当我们交谈时，他们正在进行校准并对准镜子。我等不及第一次观察了。那么，你是如何参与美国国家航空航天局和韦布望远镜的呢？
容：所以我的背景其实是理论天体物理学。我专门研究星系形成的模型。因此，我的工作都是为了理解驱动星系形成和进化的物理，尤其是那些在早期宇宙中形成的星系，以及它们进化和与宇宙相互作用的方式。因此，这些研究是回答悬而未决的大问题的关键，比如宇宙是如何运作的，以及我们是如何走到这一步的。你可以看到，这些问题与詹姆斯•韦伯太空望远镜的任务非常吻合。因此，为了期待我们的下一个伟大天文台，我写了一篇关于预测早期宇宙中星系的论文，JWST将帮助我们第一次看到这一点，我将这项工作称为JWST的半分析预测。我使用理论模型来预测JWST在星系调查中会看到什么。这些模拟数据有助于优化我们寻找星系的方式。
容：这也有助于解释和理解我们所看到的星系。因此，就在我于2020年从罗格斯大学获得博士学位后，我通过美国国家航空航天局博士后项目以JWST研究员的身份加入了戈达德太空飞行中心。该职位使我能够继续与观测团队合作，为未来的JWST观测提供理论支持。我还将继续为其他旗舰望远镜进行预测。
吉姆•格林：太棒了。因此，你在论文中所做的早期工作确实引起了美国国家航空航天局的注意。然后，你知道，我们只需要让你加入球队。
吉姆•格林：但是我们为什么要关心早期星系的形成呢？
容：所以在我们讨论早期星系之前，我们需要讨论JWST的时间机器方面。你看，因为光以有限的速度传播。因此，我们有来自宇宙不同部分的光不断地向我们流动，因为这些光在发出时携带着关于宇宙的信息。因此，光传播的时间越长，信息就越古老，因此向我们展示了遥远的宇宙。因此，通过从远处到附近观察星系，我们可以将宇宙的进化史拼凑在一起。
博士后研究员Aaron Yung（右）与美国国家航空航天局重力辅助主持人Jim Green。
容：那我们现在为什么在乎呢？因为除了生活在行星上和太阳系中，我们还生活在一个非常大的星系中。自然，我们对它的历史感到好奇。目前的理论认为，星系是分层次形成的，从小星系开始，然后通过合并和吸积变大。我们认为我们的银河系也经历了同样的过程。因此，JWST将看到的第一批星系并不是我们银河系的前身。但通过观察这些星系，我们可以了解过去的宇宙是什么样子的。这将为我们提供关于银河系过去经历了什么的线索。
吉姆•格林：亚伦，根据我们所知道的，宇宙有一个开始，叫做大爆炸。然后，会发生什么？
容：所以通过测量宇宙膨胀的速度，我们认为宇宙大爆炸大约发生在138亿年前。那是宇宙时间线的开始。因此，在那之后，宇宙经历了一些剧烈的膨胀，然后宇宙的内容逐渐冷却。然后在某个时刻，重子物质可以存在。
容：所以这些重子物质是由恒星、星系和你我组成的。所以这些重子物质形成后，在重力的作用下，它们必须逐渐凝结。然后我们经历了宇宙的一个阶段，我们称之为黑暗时代。所以星系有点形成了，但我们无法真正看到它们，因为它们被中性气体遮蔽或阻挡了。但随着时间的推移，当星系开始向宇宙、星系间介质、星系之间的空间发射辐射时，宇宙就会逐渐电离，或者换句话说，变得透明。所以光可以在宇宙中自由传播，现在我们可以清楚地看到宇宙。
吉姆•格林：好吧，在大爆炸之后，我们有一段时间，物质开始形成恒星，然后恒星、尘埃和星系由此形成。当然，后来发生的事情是，我们的太阳系是围绕恒星形成的。事实上，我们的太阳系只有46亿年的历史。所以这个大爆炸发生在很久以前。
吉姆•格林：那么，我们如何定义星系呢？它是由一定数量的恒星组成的吗？有限制吗？
容：所以星系其实不只是恒星。里面还有气体，多相气体，热的，冷的，电离的。它们还与自己的暗物质光环相互作用。当星系团形成时，它们也会与邻居相互作用。因此，有各种各样的事情在发生，而成为一个星系需要多少恒星并没有真正的限制。
吉姆•格林：嗯，我们认为这些早期星系是什么样子的？它们一开始是螺旋星系吗？
容：剧透提醒，我们在等JWST的照片。因此，我们可以肯定的是，它们将是真正的红色。它们的形状也可能是不规则的，因为螺旋星系需要几次合并才能合并，而且它们通常更大。但这些早期的星系，它们是如此的红，我们将在红外中看到它们，因为你看，我们预计这些星系会发出很多紫外线。但因为这些光经过很长的路才能到达我们身边，在它漫长的旅程中，光波被拉伸得如此之大，以至于变成了红外线。韦布是专门为探测这种情况下的光线而设计的。我们还预计这些星系会比我们在附近宇宙中看到的星系更小。因为宇宙大爆炸后的时间太少了，它们还没有太多的时间来进化和增加质量。但预计它们也会比附近质量相似的星系更亮，因为它们充满了年轻的恒星，年轻的恒星群体预计会比年长的群体更亮。
吉姆•格林：那么那些年轻的恒星，它们真的变得很大吗？我们今天看到的恒星有那么大吗？或者它们是什么特别的东西？
容：它们的质量可能比我们现在的恒星还要大，因为当宇宙开始的时候，并没有太多的重元素。因此，我们预计这些恒星是由宇宙大爆炸时原始的气体形成的，因为它们实际上没有金属。所以气体的冷却效率很低。这将导致更大恒星的形成。因此，它们往往更明亮，但它们也会更快地消耗燃料。这也解释了为什么年轻的恒星群体更明亮，因为它们包含更多这种大质量但短命的恒星。当恒星种群变老时，这些年轻恒星就会消亡。而年龄较大、持续时间较长的恒星本质上不那么明亮。这就是为什么。
吉姆•格林：啊，这就是为什么我们想回到过去，看看这些早期星系，因为组成它们的主星与我们今天的恒星非常不同，尤其是典型的恒星。因此，这真的是一个令人兴奋的机会，让我们真正梳理出太阳系、恒星和其他星系进化的早期阶段。那么，韦布天文台的哪些特征真正让你能够研究这个早期宇宙？
Aaron Yung：所以JWST的设计中有很多东西，这使它成为有史以来研究早期宇宙的最伟大的东西。在这里，让我强调一下。
容：首先，JWST标志性的主镜非常大。它直径6.5米，面积几乎是哈勃望远镜的7倍。大镜子将有助于收集更多的光线，并让我们有机会探测到极其遥远和微弱的光源。由于韦布将在红外线中观察宇宙，镜子上覆盖着一层薄薄的金，这是反射红外线的最佳材料。由于所有有温度的东西都会在红外线中发光，因此保持望远镜的光学组件和科学仪器的凉爽非常重要，就像非常非常凉爽一样。
Aaron Yung：所以韦布不是像哈勃那样绕地球运行，而是在距离我们100万英里的轨道上，为了让它免受太阳辐射的影响，韦布还配备了一个网球场大小的遮阳板。这将使韦布保持在50开尔文的工作温度，即负370华氏度。中红外仪器有自己的低温冷却器，可以将其进一步冷却到6开尔文以下，即负449华氏度。
容：所以，对于那些非常敏感的科学仪器来说，既需要大的反射镜，也需要低的工作温度。这些仪器将处理到达我们的光，并将其转化为图像或光谱，通过它们，我们将能够看到早期宇宙。
吉姆•格林：嗯，你知道，亚伦，很多人对哈勃太空望远镜了解很多。现在，JWST望远镜几乎投入使用。从这两个航天器的观测结果来看，我们会有什么主要区别？
容：JWST的灵敏度将是哈勃的100倍。因此，它将能够探测到比哈勃望远镜所能看到的更暗的星系。这将向我们展示星系也在更远的地方，形成的时间甚至更早。所以这是非常令人兴奋的。此外，JWST还具有哈勃所没有的额外的中红外能力。因此，这将有助于我们看到其他被宿主星系遮蔽的东西，比如尘埃云后面的恒星，或者AGN。
吉姆•格林：亚伦，早期的星系有黑洞吗？或者它们是后来形成的？
容：确实，我们认为它们里面会有黑洞。因此，目前的理论是，第一批恒星可能留下了一些超大质量黑洞种子。因此，当星系形成时，这些黑洞种子将静静地坐落在那里。因此，它们可能不会对星系产生强烈影响。但随着时间的推移，当它们的质量增长并开始吸积时，它们确实会影响宿主星系。因此，除了支持JWST观测，我还是JWST第一周期理论项目的PI，我将开发一个理论框架，探索早期形成的黑洞与其宿主星系之间的共生关系。因此，当黑洞快速吸积物质时，你可以在很多方面对它们的宿主星系产生强烈影响。然而，黑洞本身可能被它们的宿主星系所遮蔽。因此，即使有JWST，我们也可能无法直接看到它们。因此，我的理论框架将把这种早期形成的黑洞与其宿主星系的性质联系起来，并提出我们可以通过JWST观测到的信号间接探测它们的方法。
Aaron Yung在美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心模拟早期宇宙。
吉姆•格林：是的，太棒了。那么，你希望看到什么来验证你的模拟？这会出现在一个图像或一系列图像中吗？还是在你看到早期宇宙之前，所有的图像都必须放在一起？
容：那就得等到JWST这个激动人心的节目了。因此，它不太可能是一张单独的图像，但它可能是我们从JWST的一次大型调查中得到的一组图像。
Aaron Yung：我们已经有几个项目计划在运行的第一年内进行深星系调查。
吉姆•格林：嗯，韦布现在在做什么？它推出以来发生了什么？
容：对。自不到两个月前的大发布会以来，JWST经历了一系列微妙的步骤来展示自己。所以，请记住我提到的那个巨大的镜子和遮阳板，整个望远镜太大了，必须折叠起来才能放进发射到太空的火箭里。在其旅程的前两周，我们看到了一切的成功部署。向所有设计和建造望远镜的工程师们致以崇高的敬意。
容：JWST随后成功地插入了他的目标轨道第二拉格朗日点，并将经历为期六个月的调试过程。因此，现在，马里兰州JWST任务控制中心的团队正在调整主镜的18个部分。一开始，每个环节都在做自己的事情。我们的目标是让所有的部分像一个巨大的镜子一样连贯地工作。现在，韦布正在观察一颗明亮的恒星，但探测器中出现了18个不同的亮点。团队需要首先确定哪个点对应于哪个片段，然后需要移动和单独调整镜像片段。最后，他们将再次移动镜子，将18张图像叠加在一起，使所有片段成为一体。所以我们要有耐心。
吉姆•格林：嗯，你一直想成为一名科学家吗？
容：答案是肯定和否定。我一直对物理很感兴趣，但从来没有信心把它作为我的职业。我记得当我小的时候，我还在用木块建造塔楼和桥梁，我意识到我所有的玩具似乎都遵循着无形的规则，你知道，东西坠落的方式，某些东西在坠落或碰撞后反弹的方式，或者棒球的轨迹，诸如此类的东西。我真的很好奇幕后的规则。为了看看我是否做对了，我实际上在脑海中模仿了一些东西，比如想象一个塔楼，你在脑海中轻轻推它，你可以，你可以用你的想象力来跟随这些塔楼的级联。对于一个不得不一直等着看医生的孩子来说，这真是太棒了。
容：我，我想学习更多。所以后来我了解到这些规则叫做物理学。这不是英文单词physics，而是中文中的物理学短语，它由两个词组成：物质和逻辑。因此，它们合在一起拼写为“理解事物”。这个想法有点让我难以忘怀。
容：十年过去了，我15岁的时候和家人移民到美国。我在夏威夷长大。所以这很有趣。但一开始，这是相当艰难的，因为我必须赶上语言。我在九年级的最后一个月开始上高中。所以我几乎错过了整整一年的高中时光。我需要赶上学分。所以我非常努力地赶上进度，以至于我在放学前、放学后、网上和整个夏天都上了额外的课。我提前一年高中毕业了。但我没有机会参加任何高级物理和数学课程。所以我没有准备好学物理。实际上，我是从金融专业开始上大学的。但一年后，我决定转学物理专业。我回去告诉我的高中物理老师这件事。她并不鼓励我。也许她知道我没有为此做好准备。
容：每个人都告诉我物理很难，你必须非常擅长数学才能进入。这就是为什么我从来没有信心考虑在我的职业生涯中做这件事。公平地说，我有时也会说这种话。所以，也许这是有道理的。但我想再加一点转折。与其这么说，我应该说，“如果你学物理，你需要很多数学。但无论你现在在哪里，你都需要尽最大努力，习惯于快速学习。所以，只要你有力量坚持下去，你就会好起来的。”
吉姆•格林：是的，这真是一个很好的哲学。你知道，如果可以的话，我有一点修改，我用和你一样的方式说。那就是所有的数学都不是生而平等的。我真的很喜欢各种类型的数学，但不是所有的数学。例如，我在几何方面很糟糕。但我并没有因此而停下脚步，完成了各种各样的数学和物理课程。所以，事实上，这真的是关于决心，以及能够享受你正在做的事情。
吉姆•格林：嗯，亚伦，我总是喜欢请我的客人告诉我，是什么事件、人、地或事让他们对成为一名科学家如此兴奋，以至于他们今天成为科学家？我称之为重力辅助。亚伦，你的重力辅助是什么？
Aaron Yung：所以就像旅行者号的任务一样，我实际上有几次，我会把自己限制在三次以内。因此，改变我人生轨迹的第一次重力辅助发生在我的本科生时代。起初我想做数学物理研究，但被我想合作的人拒绝了。隔壁的天文学教授收留了我，她的名字叫Apana Venkatesan。她说服我加入她的研究小组，并将天文学带入我的生活。因此，作为一名与她一起工作的本科生，我也在波多黎各的阿雷西博天文台进行了观测，这是我第一次使用大型望远镜。所以我有了下一个。此外，到目前为止，我收到的最大的一封信来自我的论文顾问Rachel Somerville，她在我的整个职业生涯中开展了人生研究，为我从事理论天体物理学和JWST工作提供了必要的加速。
Aaron Yung：最后，美国国家航空航天局，我现在正在经历的一次，在太空领域还不确定JWST何时发射的时候，美国航空航天局收留了我。因此，加入美国国家航空航天局，能够直接接触到与JWST密切合作的人，罗马太空望远镜真的让我能够继续发展所有的工作，我已经开始并受到启发，将这项工作推向新的方向。这是一个奖金。自从我在疫情早期加入美国国家航空航天局以来，我大部分时间都在远程工作。这对作为该机构一部分的工作经验造成了损失。因此，一线希望是我们正在花费更多的时间上网。我碰到你了，吉姆。所以，我和Jim大约一年前通过社交媒体认识了。从那以后，我们一直在合作制作两个每周的节目，与现场公众观众互动。我们谈论天文学和太空探索的一切。因此，我显然很喜欢坐在前排，欣赏你们关于火星探测、行星科学以及无数美国国家航空航天局任务和历史的激动人心的故事。但我也非常荣幸能以这种身份与您共事。所以，感谢你们所有的科学交流培训，感谢你们成为我的榜样，让科学变得触手可及。
吉姆•格林：嗯，你说亚伦真是太好了，我不得不说，当我们聚在一起在Clubhouse上聊天时，我真的很喜欢和你一起工作。事实上，有来自世界各地各行各业的许多不同的人坐在一起听我们谈论科学，然后让他们问我们一些非常棒和深入的问题，这真是太棒了。Aaron，非常感谢你和我一起参加Gravity Assist，谈论你正在做的奇妙的事情，为所有早期星系建模，等待JWST数据的到来。
容：谢谢你，金。
吉姆•格林：下次我们继续我们的旅程，看看美国国家航空航天局的引擎盖下，看看我们是如何做到的。我是吉姆•格林，这是你的重力助手。
首席制作人：伊丽莎白•兰道
音频工程师：曼尼•库珀