詹姆斯·韦布望远镜将带来哪些新的宇宙物理学

在热大爆炸的最初时刻，宇宙形成了单独的质子和中子，然后这些质子和中子在最初的几分钟内融合在一起，形成了宇宙中第一批元素。我们相信，通过各种各样的推理，我们知道在宇宙形成一颗恒星之前，这些元素的比例是多少。按质量计算，宇宙是由75%的氢、25%的氦组成。当我们看到氧和碳元素的时候，这表明我们所看到的恒星之前已经有了更早的“第一代”恒星。

在目前观测的极限下，我们已经在132亿年前发现了黑洞，它们的质量相当于太阳的约10亿倍，当时宇宙的年龄只有现在的5%左右。这些早期黑洞是如何迅速变得如此巨大的？对我们目前的理论来说，解释我们所看到的是一个挑战。例如，我们需要在大爆炸后大约1亿年形成一个质量约为太阳10000倍的“种子”黑洞，然后它需要以物理上允许的最大速率成长，才能变成我们所看到的超大质量黑洞。

其结果揭示了星系的非随机聚集，帮助我们了解宇宙的引力历史、生长和演化，同时也揭示了暗物质必要性的另一条证据。詹姆斯·韦布太空望远镜将利用其红外仪器绘制0.6平方度的天空，揭示出即使是哈勃也无法看到的星系。如果我们想要了解星系是如何在宇宙时间中成长和演化的，以及它们是如何聚集在一起的，以推断将宇宙聚集在一起的暗物质网，韦布将会给我们一个前所未有的有价值的数据。

宇宙的最深处

第二个限制是，星系间空间中有中性原子吸收光，至少在我们宇宙历史的最初5.5亿年间如此。这两个因素都限制了我们目前最深处的望远镜所能看到的东西。

再电离并不是一下子发生的，而是一个逐渐发生的过程。当恒星形成时，它们发出紫外线辐射，电离它们遇到的中性原子。早期，那些新形成的离子和电子仍然可以重新组合，但后来，宇宙已经膨胀到足以使它们不再频繁地相遇。我们有模拟告诉我们再电离过程是如何进行的，但只有詹姆斯·韦布能够探测到。现在，再电离前的时代被称为“宇宙黑暗时代”，但韦布将第一次让所有人看到它。

行星系统是如何形成的

说到我们发现的大多数行星，你可能会惊讶地发现我们从来没有真正“见过”。我们目前发现的绝大部分系外行星都是通过间接证据，例如径向速度法、凌日法等。而詹姆斯·韦布在太空中的位置，它的红外线眼睛，以及直径6.5米的主镜，可以对大小为1.5倍地球的系外行星直接成像。