這是一位藝術(shù)家對(duì)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的描繪。

(圖片來(lái)源:ESA/ATG medialab)

1. 讓我們 看向更遠(yuǎn)的過(guò)去

2. 究竟 是什么照亮了宇宙

3. 測(cè)量系外行星大氣

4. 尋找生命的線(xiàn)索

5. 宇宙化學(xué)和星系演化

6. JWST太陽(yáng)系的研究

7. 恒星是如何形成的呢

8. 太空望遠(yuǎn)鏡建造有史以來(lái)最雄心勃勃、最昂貴的太空望遠(yuǎn)鏡，向地球遠(yuǎn)離太陽(yáng)一側(cè)的L2拉格朗日點(diǎn)發(fā)射，已經(jīng)一年了！

耗資100億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(韋伯或JWST)，自夏天以來(lái)就一直在大量提供驚人的天文數(shù)據(jù)，它的鏡子和遮陽(yáng)板成功導(dǎo)航344個(gè)潛在故障點(diǎn)。

觀測(cè)不到6個(gè)月，就有了變革性數(shù)據(jù)，科學(xué)家們已經(jīng)利用這些數(shù)據(jù)做出了幾個(gè)重要的突破性發(fā)現(xiàn)。

在發(fā)射前，JWST就被譽(yù)為“革命性”的望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在也已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)作了，我們來(lái)看看它已經(jīng)成功地改變了天文學(xué)的許多方面

上圖是JWST觀測(cè)到的兩個(gè)高紅移星系的特寫(xiě)。

一個(gè)是紅移10.5，另一個(gè)是12.5，大多數(shù)前景星系是一部分Abell 2744星團(tuán)。

(圖片來(lái)源:NASA/ESA/CSA/T。Treu (UCLA))

要觀察來(lái)自最遙遠(yuǎn)星系的珍貴稀有光子，望遠(yuǎn)鏡越大越好——太空望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有比JWST更大的了，因?yàn)樗?1英尺(6.5米)的主鏡。

但這只完成了一半的工作，因?yàn)槲矬w越遠(yuǎn)，它的光就越紅移。

一個(gè)星系離我們?cè)竭h(yuǎn)，根據(jù)宇宙的膨脹，它遠(yuǎn)離我們的速度就越快，所以它發(fā)出的光就被拉伸更多，向更紅的波長(zhǎng)移動(dòng)。

最遙遠(yuǎn)的星系，也是目前我們能看到的最早的星系，發(fā)出的光在到達(dá)地球時(shí)一直轉(zhuǎn)移到近紅外波長(zhǎng)。

正是這種紅移促使科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了JWST，專(zhuān)門(mén)研究近紅外光和中紅外光。

大型鏡子和紅外視覺(jué)的結(jié)合使JWST能夠看到比天文學(xué)家以前看到的更遠(yuǎn)、更早的星系，有望改變我們對(duì)這些星系形成方式的理解。

在JWST發(fā)射之前，已知的最遙遠(yuǎn)星系是GN-z11。

它的紅移值為11.1，這相當(dāng)于看到了134億年前的星系，也就是大爆炸后4億年，但是這是JWST之前的望遠(yuǎn)鏡所能探測(cè)到的絕對(duì)極限。

在JWST的第一批數(shù)據(jù)發(fā)布后不久后，這一記錄就被打破了。

天文學(xué)家利用前景星系團(tuán)，如Abell 2744，作為引力透鏡:大質(zhì)量的天體，如星系團(tuán)，用它們的引力扭曲空間，產(chǎn)生一種類(lèi)似放大鏡的效果，放大來(lái)自更遙遠(yuǎn)天體的光。

天文學(xué)家在這些透鏡的背景中，發(fā)現(xiàn)了微弱的“紅色污點(diǎn)”——這些“污點(diǎn)”后來(lái)被證明是迄今所見(jiàn)最遙遠(yuǎn)的星系。

首先是一個(gè)紅移為12.5的星系，名為GLASS-z12 (GLASS是一個(gè)特定的調(diào)查項(xiàng)目的名字，“Grism lens - amplification survey from Space”)。

天文學(xué)家計(jì)算出，我們看到的這個(gè)星系是在134.5億年前存在的，也就是大爆炸后的3.5億年。

紅移更大的星系緊隨其后。其中一個(gè)被稱(chēng)為梅奇星系，它在大爆炸后僅存在了2.8億年，紅移為14.3，

而另一個(gè)紅移為16.7，在大爆炸后僅存在了2.5億年。

甚至有人聲稱(chēng)存在一個(gè)紅移值為20的星系，如果得到證實(shí)，它將在大爆炸后僅2億年就存在了。

JWST也在努力確認(rèn)這些發(fā)現(xiàn)，也使用另一種儀器按波長(zhǎng)分割光。

天文學(xué)家已經(jīng)證實(shí)了一個(gè)紅移為13.2的星系，這是我們看到的宇宙只有3.25億年時(shí)的情況。

一位藝術(shù)家描繪的宇宙從大爆炸(右邊)到現(xiàn)在(左邊)的路徑,

在此期間，第一批恒星和黑洞產(chǎn)生了足夠的光，結(jié)束了宇宙的黑暗時(shí)代。

(圖片來(lái)源:NASA/STScI)

大爆炸后、恒星和星系形成之前，宇宙是黑暗的，而且籠罩在氫氣霧中。

最終，光，使霧電離，尤其是紫外線(xiàn)輻射。

但是，結(jié)束宇宙黑暗時(shí)代的光從何而來(lái)呢?

天文學(xué)家認(rèn)為，光要么來(lái)自充滿(mǎn)恒星的年輕星系，要么來(lái)自活躍的超大質(zhì)量黑洞，這些黑洞周?chē)h(huán)繞著由極熱氣體組成的吸積盤(pán)，并向太空噴射強(qiáng)大的射流。

星系和黑洞的先后的問(wèn)題是宇宙學(xué)中最大的難題之一，有點(diǎn)像先有雞還是先有蛋的問(wèn)題。

JWST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，它探測(cè)到的早期星系比預(yù)期的更亮，結(jié)構(gòu)更強(qiáng)，球狀核心周?chē)莫?dú)特圓盤(pán)已經(jīng)充滿(mǎn)了恒星。

這一特征表明，完全形成的星系很快就出現(xiàn)了——但它們是否已經(jīng)包含超大質(zhì)量黑洞還有待觀察。

幸運(yùn)的是，JWST將會(huì)回答這個(gè)問(wèn)題，它回答這個(gè)問(wèn)題時(shí)，將為早期宇宙的拼圖做成一塊巨大的拼圖。

這是藝術(shù)家對(duì)氣體巨星系外行星WASP-39b的繪制，JWST描述了它的大氣層。

(圖片來(lái)源:NASA/ESA/CSA/J。奧姆斯特德(STScI))

天文學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5000多顆系外行星，而且還在不斷增加，但盡管有這么多驚人的發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)匀粚?duì)其中許多行星幾乎一無(wú)所知。

JWST并不是為了發(fā)現(xiàn)新的系外行星而設(shè)計(jì)的，但它的目標(biāo)是通過(guò)進(jìn)行一種叫做過(guò)境光譜的東西來(lái)描繪已知世界的更詳細(xì)的圖像。

當(dāng)一顆行星從它的恒星前面經(jīng)過(guò)時(shí)，恒星的一些光會(huì)濾過(guò)行星的大氣層，大氣層中的分子會(huì)吸收部分星光，在恒星的光譜中形成暗線(xiàn)，這是一種類(lèi)似條形碼的光的波長(zhǎng)分解。

為了研究一顆行星的大氣層中的成分，檢驗(yàn)是否有大氣層，這可以讓天文學(xué)家了解一顆行星形成和演化過(guò)程，以及大氣層中發(fā)生了什么化學(xué)過(guò)程。

上圖，系外行星WASP-39b的大氣組成。

(圖片來(lái)源:NASA/ESA/CSA/J。奧姆斯特德(STScI))

早期的結(jié)果非常令人鼓舞。

今年8月，天文學(xué)家宣布，JWST首次確認(rèn)在一顆系外行星的大氣中探測(cè)到二氧化碳?xì)怏w，這顆系外行星距離地球700光年。

在11月，天文學(xué)家發(fā)布了一個(gè)更完整的光譜，顯示了WASP-39b大氣中元素和分子的吸收線(xiàn)，不僅包括二氧化碳，還包括一氧化碳、鉀、鈉、二氧化硫和水蒸氣。

這一發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是迄今為止對(duì)系外行星大氣層最詳細(xì)的分析。

光譜顯示，火星大氣中的氧含量比碳含量高得多，硫含量也很高。

科學(xué)家們認(rèn)為，硫一定來(lái)自WASP-39b在形成時(shí)與較小的星子發(fā)生的多次碰撞，這為我們提供了行星演化的線(xiàn)索，也可以“暗示”太陽(yáng)系中的氣體巨星是如何形成的，例如木星和土星。

此外，二氧化硫的存在是太陽(yáng)系以外行星上光化學(xué)產(chǎn)物的第一個(gè)例子，因?yàn)楫?dāng)恒星的紫外線(xiàn)與行星大氣中的分子反應(yīng)時(shí)，這種化合物就形成了。

藝術(shù)家對(duì)TRAPPIST-1系統(tǒng)中的七顆行星的描繪。(圖片來(lái)源:NASA/JPL-Caltech)

對(duì)WASP-39b等行星的研究是一項(xiàng)任務(wù)，但系外行星科學(xué)的目標(biāo)之一，是找到另一顆像地球一樣宜居的行星，而JWST很好地刻畫(huà)了外星世界的特征，上述對(duì)WASP-39b的觀測(cè)，也預(yù)示了對(duì)TRAPPIST-1系統(tǒng)的行星研究。

TRAPPIST-1系統(tǒng)，是由7顆巖石行星組成，它圍繞距離地球40.7光年的一顆紅矮星運(yùn)行。

其中四顆行星位于該恒星假定的宜居帶，那里的溫度允許液態(tài)水在表面存在;

所以如果條件合適，它們可能在不同程度上適合居住。

JWST最初的觀測(cè)集中在TRAPPIST-1c上，這是最容易觀測(cè)到的。

模型預(yù)測(cè)，將有一個(gè)類(lèi)似金星的大氣有大量的二氧化碳。

雖然TRAPPIST-1c太熱以至不適合居住，但依舊需要確定它是否有大氣層；

如果有的話(huà)，大氣層中二氧化碳含量，將是描述地球大小世界的一大步。

然而，這也將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，需要用JWST進(jìn)行100個(gè)小時(shí)的觀測(cè)，這也就意味著，JWST在其科學(xué)研究的第一年就要進(jìn)行大約1萬(wàn)個(gè)小時(shí)的觀測(cè)。

從TRAPPIST-1c開(kāi)始，事情可能會(huì)變得更加雄心勃勃，JWST的目標(biāo)是TRAPPIST-1系統(tǒng)中更可能適合居住的其他世界，以及其他附近恒星周?chē)念?lèi)似世界。

天文學(xué)家們，也將繼續(xù)尋找生物特征，比如大氣中甲烷和氧氣的存在。

在WASP-39b的大氣中發(fā)現(xiàn)光化學(xué)反應(yīng)也是重要的一步，有利于推動(dòng)了碳基分子的形成。

星系合并，比如圖中的IC 1623，可以推動(dòng)恒星的形成，從而增加星系的化學(xué)豐度。

(圖片來(lái)源:ESA-Webb /NASA/CSA/L。Armus & A. Evans)

星空中，一些恒星可以存活數(shù)十億年，但另一些恒星只存在很短的時(shí)間，然后要么在超新星中爆炸，要么膨脹成紅巨星，然后從外層噴射到深空。

在這兩種情況下，恒星會(huì)在太空中散布大量由比氫和氦更重的元素形成的宇宙塵埃。

事實(shí)證明，星系的質(zhì)量、恒星形成速率和寬度之間存在某種關(guān)系。

在高紅移時(shí)，偏離這種關(guān)系可能表明星系在早期宇宙中以不同的方式演化。

JWST之前，天文學(xué)家只能可靠地測(cè)量星系中各種元素的寬度，但是紅移不超過(guò)3.3，換句話(huà)說(shuō)，存在于115億年前的星系。

之前，這些重元素在星系中的含量有多高還是個(gè)謎，這對(duì)JWST來(lái)說(shuō)是一個(gè)“沃土”，可以徹底改變我們的認(rèn)識(shí)。

JWST的早期結(jié)果表明，恒星形成和質(zhì)量之間的關(guān)系確實(shí)在紅移高達(dá)8.0的星系中成立，但它們的重元素豐度比預(yù)期的低三倍。

這種差異表明，恒星和星系的形成速度比我們意識(shí)到的要快，在足夠多的恒星有機(jī)會(huì)消亡，并將它們的元素分散到宇宙中之前。

由JWST拍攝的明亮的木星，它微弱的光環(huán)和它的幾個(gè)小衛(wèi)星。(圖片來(lái)源:NASA/ESA/Jupiter ERC團(tuán)隊(duì)/Ricardo Hueso (UPV/EHU)和Judy Schmidt)

雖然JWST被設(shè)計(jì)用來(lái)探測(cè)外太空，但它也可以用來(lái)觀察我們最近的“鄰居”。

當(dāng)JWST指向木星時(shí)，天文學(xué)家不確定會(huì)發(fā)生什么，因?yàn)樗苿?dòng)得太快，而且與JWST通常觀測(cè)到的暗淡的遙遠(yuǎn)星系相比，這顆行星有多亮。

科學(xué)家們擔(dān)心木星可能會(huì)使JWST的探敏器過(guò)載，或者用強(qiáng)光抹去微弱的特征，但結(jié)果比想象的要好。JWST的圖像顯示了木星微弱的光環(huán)和它的一些小衛(wèi)星，以及行星的大氣帶和極光。

通過(guò)JWST的巨大鏡子提供的高分辨率的近紅外光和中紅外光進(jìn)行觀測(cè)，天文學(xué)家能夠更深入地觀察木星的大氣層，看看云頂下面發(fā)生了什么，并了解云的延伸深度。

左邊是模擬火星地圖，右邊是JWST拍攝的火星表面熱輻射圖像。

(圖片來(lái)源:NASA/ESA/CSA/STScI/Mars JWST-GTO團(tuán)隊(duì))

JWST還拍攝了遙遠(yuǎn)的海王星、土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六和火星。

雖然JWST對(duì)這顆紅色星球的描繪可能不太美觀，但它顯示了火星表面的溫度變化以及大氣中二氧化碳的吸收。

在未來(lái)，JWST將觀察火星，追蹤更稀薄的氣體，比如可能源于地質(zhì)或生物活動(dòng)的神秘的季節(jié)性甲烷羽流。

JWST拍攝的創(chuàng)世之柱中紅外圖像。

(圖片來(lái)源:NASA/ESA/CSA/STScI/J。DePasquale (STScI) / A異教徒(STScI))

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最具標(biāo)志性的圖像之一是創(chuàng)世之柱——在鷹狀星云中發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)達(dá)數(shù)光年的分子氣體柱。

這些柱子是宇宙的搖籃，恒星在那里誕生。

JWST重新審視了什么是創(chuàng)造，在近紅外光和中紅外光下產(chǎn)生的圖像與原始圖像一樣特別。

但新視野，也不僅僅是漂亮的圖片。

JWST的紅外視野能夠穿透支柱中的塵埃，以更好地觀察內(nèi)部的恒星形成過(guò)程，顯示出氣體在坍縮成新生恒星的邊緣。

當(dāng)這些恒星只有幾十萬(wàn)歲時(shí)，它們開(kāi)始噴射出侵蝕支柱邊緣的射流。

在其他地方，JWST提供了對(duì)這樣一顆被稱(chēng)為L(zhǎng)1527的原恒星的最詳細(xì)的觀察，以及它如何與吸積在它上面的氣體相互作用，促使其爆發(fā)，清除了蝴蝶狀星云中的兩個(gè)空洞。

在JWST之前，對(duì)年輕恒星的光學(xué)觀測(cè)是有限的，因?yàn)閴m埃擋住了它們的光。

無(wú)線(xiàn)電和亞毫米觀測(cè)可以探測(cè)到一些正在發(fā)生的事情，以前的紅外望遠(yuǎn)鏡只能看到大致的筆畫(huà)，但沒(méi)有細(xì)節(jié)。

JWST現(xiàn)在提供了比以往任何時(shí)候都更詳細(xì)地揭示恒星形成秘密所必需的分辨率。

JWST的6.5米分段反射鏡是一項(xiàng)創(chuàng)新，未來(lái)將用于許多大型太空望遠(yuǎn)鏡。

(圖片來(lái)源:NASA/Chris Gunn)

JWST花了錢(qián)才解決很多麻煩，最終進(jìn)入軌道。

盡管它的設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)期多年，超出預(yù)算數(shù)十億美元，但它的革命性設(shè)計(jì)為太空望遠(yuǎn)鏡開(kāi)辟了一條新的道路。

特別是它巨大的金色主鏡，由18個(gè)六角形部分展開(kāi)而成，這是一項(xiàng)全新的工程，可以將如此巨大的望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中。

在未來(lái)，設(shè)計(jì)和建造JWST的努力不僅會(huì)帶來(lái)革命性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，而且還會(huì)啟發(fā)下一代大型太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院關(guān)于未來(lái)10年天體物理學(xué)優(yōu)先事項(xiàng)的十年報(bào)告建議表示，在21世紀(jì)40年代的某個(gè)時(shí)候，開(kāi)發(fā)一個(gè)大型光學(xué)和紫外線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡來(lái)取代哈勃望遠(yuǎn)鏡，是最優(yōu)先的項(xiàng)目。

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的鏡面直徑至少為26英尺(8米)，這一壯舉只有通過(guò)JWST首創(chuàng)的分段設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

火箭的大小不再限制望遠(yuǎn)鏡的大小;如果它不適合火箭飛行，那么望遠(yuǎn)鏡可以折疊起來(lái)，就像JWST一樣。

無(wú)論這些未來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡有什么發(fā)現(xiàn)，我們都要感謝JWST。

BY:Keith Cooper

FY:Alina Zhu

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