美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將在2021年搭乘阿麗亞娜5型重型運載火箭發射升空，進入距地球大約160萬公裡的繞日軌道。這架望遠鏡的反射鏡直徑達到6.5米，將成為有史以來被送入太空的最大望遠鏡。韋伯能夠對宇宙進行紅外觀測，捕捉最遙遠的恆星和星系影像。在這架望遠鏡的幫助下，科學家將進一步窺探宇宙的秘密。
詹姆斯·韋伯望遠鏡藝術概念圖，哈勃太空望遠鏡的接班人詹姆斯韋伯太空望遠鏡的一大使命是觀測宇宙的第一批星系，幫助科學家了解這些星系的形成以及與暗物質之間的關係。宇宙中的絕大多數物質都是不可見的（即暗物質），但其引力將包括星系在內的宇宙萬物粘合在一起。通過研究這些星系，尤其是它們的形成，科學家能夠獲得重要線索，進一步揭示暗物質的運轉機制。
天文學研究要比我們認為的複雜的多。在觀測遙遠星系時，科學家面臨一系列挑戰，其中一大挑戰是如何穿透厚厚的塵雲，以便看到它們的廬山真面目。不管你喜歡與否，塵雲就在那裡。慶幸的是，通過一些巧妙的模擬，科學家開始刺透塵雲，還原星系的本來面目。
年輕恆星V1331 Cyg，最終將發育成與太陽類似的成熟恆星宇宙誕生後幾億年，第一批星系開始形成。但迄今為止，我們尚無法獲得這些星系的直接影像。原因很簡單：它們距地球太過遙遠，如果沒有一架巨型望遠鏡，我們無法捕獲它們的光線，也就無緣得見它們的真面目。由於距離太遠再加上宇宙一直處於膨脹狀態，首批星系的光線不再是可見光，而是紅移到紅外光譜。如果想對這些嬰兒星系進行觀測，我們需要一架大型紅外望遠鏡。這也就是為什麼科學家要研製詹姆斯·韋伯望遠鏡。
韋伯望遠鏡並不是一臺測量儀器，不會對大到不可思議的宇宙區域進行測繪。不過，這架望遠鏡能夠為我們描繪130億年前的宇宙肖像，尤其是那些遙遠的早期星系的長相。星系的結構和構成取決於暗物質。無論是暗物質的數量、構成還是聚集方式，都會影響星系的形成。暗物質的特性影響星系的數量、亮度，甚至會影響星系會孕育出怎樣的恆星。不過，暗物質的特性仍是一個未知數。
2017年12月1日，德州休斯敦的詹森航天中心，美國宇航局的工程師與詹姆斯韋伯太空望遠鏡合影留念現在，科學家只能通過模擬去了解星系與暗物質之間的關係。這是因為我們尚沒有大量直接的暗物質觀測手段。就像名字暗示的那樣，我們尚未完全清楚暗物質的構成。有時候，我們只能猜測，將這些猜測加入到宇宙演化的電腦模型，以便了解恆星、氣體和塵埃等正常物質如何響應暗物質的影響並最終形成星系。
通過將韋伯望遠鏡觀測到的星系影像和統計數據與一系列電腦模擬進行比較，我們能夠確定哪些情況最為匹配，進而找到準確度最高的暗物質模型。在此基礎上，我們能夠進一步了解宇宙，包括尋找引力的奇異模型和獲得暗物質神秘特性的線索。
2018年3月8日，加州雷東多灘的諾斯羅普格魯曼公司，工作人員從特製的STTARS貨箱運走韋伯望遠鏡的光學部件和科學儀器聽起來簡單直接，但事實並非如此。觀測宇宙是一個極為複雜且難度極高的挑戰，因為宇宙不只存在恆星、星系和暗物質，同時還存在很多幹擾因素。宇宙中存在大量塵埃或者說塵雲。宇宙塵埃由碳、氧和其它物質構成，在星系內、星系周圍和星系之間不停旋轉。換言之，星系際空間是一個非常混亂的所在，大量塵埃的存在會擾亂光線。
在穿行數十億光年的距離，最終抵達韋伯望遠鏡過程中，遙遠星系的光線會與大量塵埃發生交互。光線會因為塵埃的存在發生散射，強度削弱，同時還會發生紅移。換句話說，如果我們想窺探這些年輕星系的模樣，我們就不得不與一層「薄霧」打交道。只要有塵雲存在，我們就永遠無法獲取早期宇宙的直接影像。
2016年10月14日，工程師和技術人員成功完成主鏡的第一個重要測試——曲率中心測試。完成光學測試後，「韋伯」還要接受一系列嚴格的機械測試不過，科學家還可以藉助模擬，研究早期宇宙和首批星系。雖然是模擬，但使用的卻是真實數據。這些數據並非來自於早期宇宙（因為我們尚未獲取早期宇宙的數據），而是來自附近的宇宙區域。對我們所處的局部宇宙星系間塵埃的特性，科學家已經進行了相當詳盡的測繪、觀測和研究。這些數據隨後輸入到早期宇宙的電腦模擬，以儘可能準確預測韋伯望遠鏡可能看到的景象。這就像我們採集周圍薄霧的樣本，而後利用樣本分析得出的數據推測一座遙遠燈塔的模樣。
2017年3月5日，戈達德太空飛行中心的太空飛行器系統開發與集成設施，技術人員關閉無塵室的電燈，利用高亮手電和特殊紫外燈檢查韋伯望遠鏡，以確定是否遭到汙染一支研究小組公布了一組名為IllustrisTNG的模擬結果。正如名字暗示的那樣，這些模擬極其複雜，不僅涉及暗物質和星系形成，同時還模擬星系放射的光線穿過數十億光年的塵埃，而後進入韋伯等觀測設備的視野。IllustrisTNG模擬的主要目標是預測韋伯望遠鏡可能看到的景象。具體地說，就是在天文學家所說的星系光度函數的觀測中，韋伯望遠鏡能夠得出怎樣的發現。通過研究星系光度函數，科學家能夠推測每個亮度級別的星係數量，即多少明亮星系？多少中等亮度星系和多少暗淡星系？暗物質特性會影響星系光度函數。例如，如果暗物質成塊分布，我們的宇宙將存在更多明亮星系，從而改變光度函數。
IllustrisTNG模擬項目的合成圖像。左側的插入圖展示了星系之間的交互以及恆星光暈的細小結構。右側插入圖展示了兩個大質量中央星系的恆星光線。很明顯，大質量星系的光線「淹沒」恆星光暈的光線但光度函數本身也會受到塵埃影響，因為塵埃改變了所有星系發出的光線。這些模擬是科學家首次嘗試描繪端對端圖景，預測韋伯望遠鏡可能看到的景象或者說有關暗物質和星系形成的潛在觀測發現。IllustrisTNG只是一個開始。這些模擬涉及大量立基於現有觀測數據的猜測和設想。等到韋伯望遠鏡真正服役，科學家將獲取更多數據，從而進行更深入的研究和模擬，進一步窺探宇宙的秘密。
博科園-科學科普｜文: 保羅·蘇特轉自: 漫步宇宙/qqtaikong博科園-傳遞宇宙科學之美
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