詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入太空的第一年讓天文學(xué)家大吃一驚

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）進(jìn)入太空的第一年就讓天文學(xué)家們大吃一驚，他們對JWST迄今為止所取得的成就感到“驚訝”和“震驚”。

發(fā)射僅一年后，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡就超出了所有人的預(yù)期，天文學(xué)家們?yōu)榇思硬灰选?/p>

這個耗資100億美元的紅外天文觀測站于2021年12月25日發(fā)射，旨在了解星系的形成和演化，遠(yuǎn)眺宇宙第一代星系時代，從前所未有的細(xì)節(jié)觀察在云霧狀星胚中誕生的恒星，并探測系外行星的大氣層以及描述一些最近的巖石世界。

然而，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(韋伯或JWST)的復(fù)雜性，包括其折疊式，分段的21英尺（6.5米）鏡子和網(wǎng)球場大小的精致遮陽板，這意味著天文學(xué)家們對JWST是否能像預(yù)期的那樣工作感到很緊張。

事實證明，他們并不需要擔(dān)心?！拔蚁胛覀冋娴臎]有料到會有這么好的結(jié)果，”亞利桑那大學(xué)斯圖爾德天文臺的天文學(xué)家布倫達(dá)·弗萊告訴媒體。

圖 1 詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡于2021年12月25日從法屬圭亞那搭載阿麗亞娜5號火箭發(fā)射升空。(圖片來源:NASA/Bill Ingalls)

“這太神奇了”英國利物浦約翰摩爾大學(xué)的天體物理學(xué)家史蒂夫·朗莫爾告訴媒體?！八谋憩F(xiàn)至少和我們預(yù)期的一樣好，在很多情況下甚至更好?！?/p>

如果它超過了自己的目標(biāo)，它肯定也超過了它的前輩?！斑@比我們以前看到的要好得多”，來自美國馬里蘭州空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所(STSCL)的JWST項目副科學(xué)家蘇珊·穆拉利補(bǔ)充告訴媒體，這些圖像很美，她被驚呆了。

海王星環(huán)

JWST表現(xiàn)如此出色的主要原因是其裝備了頂級的光學(xué)器件，它能夠在望遠(yuǎn)鏡觀測的大多數(shù)紅外波長中實現(xiàn)其最大的潛在分辨率。這一成功意味著JWST的圖像具有哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和美國宇航局已經(jīng)退役的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡所無法達(dá)到的清晰度，或者地面上更大的望遠(yuǎn)鏡，比如夏威夷凱克天文臺的望遠(yuǎn)鏡，因為它們的視野被地球大氣層模糊了。

但有了JWST，那些靠得很近、曾經(jīng)難以分辨的恒星現(xiàn)在可以被分辨出來了;非常遙遠(yuǎn)的星系結(jié)構(gòu)現(xiàn)在可以被辨別出來;甚至附近的東西，比如海王星環(huán)，也以幾十年來看到的最詳細(xì)的內(nèi)容彈出。

圖 2 詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的海王星令人驚嘆的景色，其星環(huán)清晰可見。(圖片來源:NASA/ESA/CSA/STScI)

“當(dāng)JWST的海王星圖像首次出現(xiàn)時，海蒂(哈默爾，JWST的跨學(xué)科科學(xué)家和太陽系外行星的專家)和我都看著它們，然后互相看著對方問“我們真的在看海王星嗎?”馬里蘭州NASA戈達(dá)德太空飛行中心的天文學(xué)家Naomi Rowe-Gurney（娜奧米-羅-格尼）告訴媒體。

雖然凱克天文臺已經(jīng)拍攝了海王星環(huán)的圖像，但在JWST之前，最令我們印象深刻的圖像來自于1989年旅行者2號的飛越。“自從旅行者2號以來，海蒂就再沒見過星環(huán)，我沒見過這樣的星環(huán)，因為旅行者號在我出生前就已經(jīng)存在了!”羅-格尼說。

通常情況下，明亮物體的周圍有微弱的細(xì)節(jié)或特征，例如很難在明亮物體的眩光下看到藍(lán)色海王星周圍的黑暗而脆弱的星環(huán)。為了抵消這一點，儀器被要求具有“高動態(tài)范圍”的特性，以同時接收暗淡和明亮的光。

羅-格尼說:“我們沒有意識到JWST會有這么驚人的動態(tài)范圍，能夠看到非常微弱的東西，比如海王星環(huán)、小衛(wèi)星和木星的星環(huán)?！?/p>

外星大氣層

JWST研究的不僅僅是太陽系的行星。該望遠(yuǎn)鏡的一個關(guān)鍵目標(biāo)是使用一種稱為透射光譜的技術(shù)來探測系外行星大氣的組成。當(dāng)行星凌日時，恒星發(fā)出的光會穿透行星的大氣層，但大氣層中的原子和分子會阻擋某些特定波長的光，從而泄露大氣的成分。

JWST發(fā)布的第一顆系外行星結(jié)果是WASP-39b的透射光譜，這是一顆“熱木星”系外行星，圍繞700光年遠(yuǎn)的一顆類太陽恒星運(yùn)行。JWST在WASP-39b的大氣中檢測到二氧化碳，這是第一次在系外行星上檢測到這種氣體。其他氣體包括一氧化碳、鉀、鈉、水蒸氣和二氧化硫，最后一種氣體只能通過光化學(xué)產(chǎn)生，當(dāng)大氣氣體與來自行星恒星的紫外線反應(yīng)時——首先是另一顆系外行星。

圖 3 詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡對WASP-39b大氣成分的分析。(圖片來源:NASA/ESA/CSA/J。奧姆斯特德(STScI))

穆拉利說:“我一直對我們能夠利用系外行星數(shù)據(jù)所做的事情感到驚訝，比如在WASP-39b的大氣中發(fā)現(xiàn)的二氧化碳和光化學(xué)，這真的很酷，我不記得人們提前談?wù)?檢測光化學(xué))。我真的很期待看到我們能對圍繞冷m矮星運(yùn)行的類地系外行星做些什么，看看它們的大氣是由什么組成的。”

特別是，TRAPPIST-1行星系統(tǒng)是JWST的一個關(guān)鍵目標(biāo)，該系統(tǒng)由7個行星組成，圍繞40光年外的一顆m矮星運(yùn)行。12月在STSCI舉行的一次會議上發(fā)布了初步結(jié)果，未能探測到一些TRAPPIST-1行星周圍的厚層氫，但我們必須耐心等待來自這些行星的更全面的結(jié)果，其中多達(dá)4顆行星可能位于其恒星宜居帶。

WASP-39b很容易成為第一個目標(biāo)，因為它的恒星很亮，而且行星信號很強(qiáng)。像TRAPPIST-1這樣的m矮星盡管離得更近，但是要暗淡得多。

穆拉利說:“我們必須等到有足夠多這些家伙的過境，才能建立信噪比，因為你不能只靠一兩次過境就做到這一點?！薄拔艺J(rèn)為我們至少要等到第一個周期的觀測結(jié)束(2023年夏天)，才能有人說他們是否發(fā)現(xiàn)了真正壯觀的東西?！?/p>

近處和遠(yuǎn)處的恒星形成

JWST的另一個任務(wù)不僅是觀測系外行星，而且是更好地了解它們及其恒星的形成方式。特別是恒星的形成是理解它的關(guān)鍵過程，因為它連接了宇宙中遠(yuǎn)近的許多事物。

Longmore正在領(lǐng)導(dǎo)一項研究，使用JWST來觀察銀河系中心一個區(qū)域的瘋狂恒星形成，這個區(qū)域被稱為中心分子區(qū)，距離我們大約26000光年。我們星系的中心是恒星最集中的地方，在我們的距離上，它們都擠在一起——哈勃太空望遠(yuǎn)鏡無法分辨它們——而大量的塵?；\罩著它們中的大多數(shù)在光學(xué)光下。然而，用像JWST這樣的大口徑紅外望遠(yuǎn)鏡，這兩個問題都不重要了。

Longmore說:“這是JWST的兩項能力，將使我的領(lǐng)域徹底瓦解。”望遠(yuǎn)鏡出色的光學(xué)系統(tǒng)能夠分辨出星系中心的單個嬰兒恒星，紅外線將穿過塵埃到達(dá)天文臺。

“通常情況下，使用哈勃望遠(yuǎn)鏡就像試圖將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)一堵磚墻并透過它觀察，”他補(bǔ)充說，“但JWST是通過那堵墻的窗戶觀察，并且可以數(shù)出單個的恒星?！?/p>

圖 4 恒星形成的創(chuàng)世之柱，由JWST用中紅外成像，這張照片肯定會成為一張標(biāo)志性的照片。圖片來源:NASA/ESA/CSA/STScI/J. DePasquale (STScI)/A. Pagan (STScI))

從銀河系中心收集所有數(shù)據(jù)需要更長的時間，但這是因為它的環(huán)境非常復(fù)雜，到處都是明亮的漫射，所有這些都必須通過堅定和仔細(xì)的數(shù)據(jù)處理從恒星形成的相關(guān)信號中分離出來。

Longmore說:“在我參與的所有項目中，人們?nèi)栽谂c校準(zhǔn)和其他事情作斗爭，但希望在接下來的六個月里，情況會有所改變。”他還講了一個有趣的故事，說他的團(tuán)隊的一次觀測被圖像上的一個神秘圓圈破壞了。經(jīng)過更深入的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這并不是什么神秘的新現(xiàn)象，而是JWST之前一直在觀測明亮的木星，而這顆巨大行星的殘像還沒有從儀器的電子傳感器中正確地沖洗出來!

Longmore和他的同事們的目標(biāo)是中心分子區(qū)，因為這是我們銀河系中最類似于宇宙早期恒星形成條件的區(qū)域，當(dāng)時恒星形成率很高，形成了密集的星團(tuán)。在中央分子區(qū)，天文學(xué)家打算測量一種稱為初始質(zhì)量函數(shù)(IMF)的性質(zhì)，它描述了恒星形成星云中恒星質(zhì)量的范圍。

目前，天文學(xué)家還不明白是什么決定了恒星會隨著它們擁有的質(zhì)量而形成的原因，只知道低質(zhì)量恒星比發(fā)光的高質(zhì)量恒星更常見，至少在局部宇宙中是這樣。在130億年前的第一個星系中也是這樣嗎?回答這個問題可以幫助解釋星系是如何形成的，以及是什么結(jié)束了宇宙的黑暗時代。

深場和第一個星系

在她看到喬·拜登總統(tǒng)公布了JWST的第一張深場圖像后，即星系團(tuán)SMACS 0723，這是一個“引力透鏡”，其巨大的引力放大了它背后的物體，弗萊和她的學(xué)生，加州大學(xué)伯克利分校的馬西莫·帕斯卡爾(Massimo Pascale)競相分析這張圖像。

弗萊說:“我們?nèi)彀霙]有睡覺，我們的論文是JWST數(shù)據(jù)提交的前兩篇論文之一?！?/p>

他們一起發(fā)現(xiàn)了14個不同的高紅移星系的42張新的引力透鏡圖像，這些星系位于很遠(yuǎn)的地方，以至于膨脹的宇宙拉伸了它們的光，使它們看起來更紅。隨后進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和更深的場，弗萊的團(tuán)隊和其他人發(fā)現(xiàn)了許多高紅移候選者，包括一些紅移達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的12、13甚至更高以上的星系;這些紅移意味著我們看到的星系是在大爆炸后不到3億年的時候存在的。

These high-redshift galaxies have proven something of a surprise, in that they appear more luminous than models of galaxy formation predicted they should be.

這些高紅移星系已經(jīng)被證明是一個驚喜，因為它們看起來比星系形成模型預(yù)測的更亮。

“一種可能的解釋是，它們產(chǎn)生了太多的高質(zhì)量恒星，它們有一個頭重腳輕的初始質(zhì)量函數(shù)。”Longmore說，并指出在中央分子區(qū)測量星際磁場以了解年輕社區(qū)的恒星質(zhì)量的重要性。

為什么初始質(zhì)量函數(shù)在135億年前會有所不同還不清楚，但早期的宇宙似乎比今天要激烈得多。弗萊說:“目前，星系形成恒星的活動并不活躍，但在宇宙早期，許多星系形成恒星的活動更為活躍?！?/p>

弗萊是PEARLS（再電離和透鏡科學(xué)的主要銀河系外的區(qū)域）團(tuán)隊的成員。PEARLS是JWST的一個項目，用于對各種深場進(jìn)行成像，包括兩個明顯稀疏的天空區(qū)域和一些星系團(tuán)和原星系團(tuán)，以觀察最初數(shù)十億年的星系形成。

圖 5 珍珠場望向北極。插圖是各種類型的星系，從相互作用的星系到紅寶石塵埃恒星形成星系。(圖片來源:NASA/ESA/CSA/Rolf A. Jansen, Jake Summers, Rosalia O'Brien, Rogier Windhorst (ASU)/Aaron Robotham (UWA)/Anton M. Koekemoer (STScI)/Christopher Willmer(亞利桑那大學(xué))/JWST PEARLS team)

PEARLS團(tuán)隊發(fā)布了他們的第一個數(shù)據(jù)集，涉及靠近北極的遙遠(yuǎn)星系的非凡領(lǐng)域。這個區(qū)域位于銀河系主平面的正上方，所以JWST可以經(jīng)?？吹剑宜苍邳S道塵埃等干擾特征上方。

在這幅圖像中有一大堆星系。有的相互作用，有的呈明顯的螺旋結(jié)構(gòu);該系列展示了從鈷藍(lán)到寶石紅的各種顏色。弗萊對后者非常感興趣。

弗萊說:“我們現(xiàn)在可以(在PEARLS圖像中)觀察到大量的紅色盤狀星系，我們認(rèn)為它們可能是紅色螺旋。這種類型的星系非常有趣，因為它們類似于銀河系年輕時的樣子?！?/p>

這種變紅是由這些星系中大量的塵埃造成的;這些塵埃是大質(zhì)量恒星快速形成的結(jié)果，這些恒星在超新星爆炸中迅速死亡，并將大量塵埃泄漏到太空中。這樣的星系對哈勃望遠(yuǎn)鏡來說是完全隱藏的，但是紅外光可以穿過塵埃，使JWST可以看到這些星系。

弗萊說:“這就像新年前夜的煙花表演。“如果你燃放了很多煙花，最終它們會被塵土飛揚(yáng)的煙霧掩蓋?！?/p>

JWST自6月全面投入使用以來一直在收集數(shù)據(jù)，這給科學(xué)家們留下了深刻的印象，但真正的煙花還在后面，有重大的發(fā)現(xiàn)在等著我們。

弗萊說，這是一個緩慢的過程，需要耐心?！皩τ谌魏我粋€人來說，在很短的時間內(nèi)研究或理解的東西都太多了，我們需要很長時間來處理所有的數(shù)據(jù)。”

但結(jié)果是值得的。

穆拉利說:“這將徹底改變我們對我們在宇宙中的位置的理解，太陽系是如何形成和演化的，以及第一批恒星和星系是如何形成的。我們已經(jīng)通過這臺望遠(yuǎn)鏡取得了很大進(jìn)展，它將會做更壯觀的事情?！?/p>

BY:Keith Cooper

FY:YI WEN

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