 詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）向世人獻上了第一批5張高分辨率全彩科學圖像
隨著昨晚韋伯望遠鏡發(fā)布首批5張照片，有關(guān)投資100億美金值不值的爭論已經(jīng)變得不太重要，人們的目光這次聚焦到了更為古老和久遠的宇宙深處......撰文 | 程亦之 責編 | 邸利會
● ● ● 有史以來最強大、最昂貴的太空望遠鏡終于開花結(jié)果，詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）向世人獻上了第一批5張高分辨率全彩科學圖像。
圖1 美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡提供了迄今為止最深、最清晰的遙遠宇宙紅外圖像。韋伯的第一個深場是星系團 SMACS 0723，它充滿了數(shù)千個星系——包括在紅外線中觀察到的最微弱的物體 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI 美國東部時間7月11日傍晚，NASA最先發(fā)布的是韋伯版宇宙深空場，相比于哈勃版宇宙深空場更清晰、更深遠。按照官方說法，這是迄今宇宙最深、最清晰的紅外圖像。在這張圖像中數(shù)百個白色、黃色、橘色和紅色的光點、條紋、螺旋和漩渦，都只是宇宙的一小部分，這些星光早在130億年前發(fā)出，如今被韋伯望遠鏡捕捉到。宇宙大爆炸是在138億年前發(fā)生的。換句話說，這張圖像里的星系幾乎回溯到宇宙誕生的早期，是人類目前為止對宇宙最古老的記錄。之所以韋伯望遠鏡能夠看得如此遙遠與古老，有賴于照片主角——一個巨型星系團，天文編號SMACS 0723，位于南半球天區(qū)飛魚座，距離我們僅有46億光年，相對于整個可觀測宇宙直徑930億光年來說，并不算遠。由于這個星系團質(zhì)量巨大，引力足以造成星光路徑的彎曲，產(chǎn)生了引力透鏡效應(yīng)（Gravitational Lensing），將更遙遠星體的光放大，這相當于天文望遠鏡的變焦鏡頭，從而讓韋伯望遠鏡得以捕捉到130億年前，更遙遠星系所發(fā)出的光芒。負責尋找此類古老星系的NASA天文學家凱西（Caitlin Casey）解釋稱，觀測和拍攝所運用的深空場（Deep Field）技術(shù)，就是將望遠鏡對準同一片天空，透過上百小時、數(shù)百次的曝光疊加，由此拍下遙遠天體的微弱光芒，從而將這張絢爛多彩的宇宙深空場呈現(xiàn)在世人眼前。之前的哈勃太空望遠鏡就是透過這種方式拍下深空場照片，辨識出許多人類未曾見過的星系，如今韋伯望遠鏡憑借更強大的紅外探測和極高的分辨率，能夠在哈勃望遠鏡辨識出1萬個星系的天區(qū)，觀測到100萬個星系。這張韋伯深空場總計曝光時間12.5小時，比哈勃望遠鏡數(shù)周的曝光時間，大為縮短，但拍得更多更清晰。負責韋伯望遠鏡觀測任務(wù)的天文學家簡·里格比（Jane Rigby）表示，建造韋伯望遠鏡的核心目標，就是尋找大爆炸之后形成的第一代星系，而這張觀測照片在視覺與科學上都展現(xiàn)了令人瞠目結(jié)舌的美麗與力量，不久的將來有望探知更多更早期的初代星系。除了尋找古老星系外，韋伯還有另一項任務(wù)，就是探測太陽系外行星以及恒星演化過程， 一窺恒星誕生與死亡。在發(fā)布第一張照片后，美國東部時間7月12日上午，NASA又一連串發(fā)布了4張韋伯杰作：船底座星云、南環(huán)星云、系外行星WASP-96b、斯蒂芬五重奏星系。船底座星云（Carina Nebula）：船底座星云是哈勃望遠鏡拍下的一個經(jīng)典目標，不過，透過韋伯望遠鏡讓我們領(lǐng)略到另一個版本的星云照。 船底座星云堪稱天空中最大、最亮的星云之一，距離我們大約7600光年。它由巨大的氣體云和塵埃云構(gòu)成，新一代的恒星正在孕育形成。也就是說，這里是恒星的搖籃。由于這些恒星幼兒園，往往被濃密的氣體與塵埃所包圍，當天文學家使用可見光觀測時，往往只能看到黑壓壓一片，難以窺探在云氣神秘的核心之中，恒星究竟是怎么演化的。這時最擅長紅外觀測的韋伯優(yōu)勢再次展現(xiàn)。由于波長較長，紅外線比可見光和紫外線，更能夠穿過層層的星際云氣而不被吸收，因此可以幫助天文學家直擊初生恒星的核心區(qū)域。 圖2 NGC 3324于1826年由 James Dunlop 首次編目。從南半球可見，它位于船底座星云 (NGC 3372) 的西北角，該星云位于船底座 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI
透過這張韋伯版的船底座星云，我們不僅看到了正在形成中的恒星，也會被奇美的氣體云和塵埃所吸引。天文學家稱之為 “宇宙礁” 或 “宇宙懸崖”，這是一種由下半部塵埃和上半部氣體形成的明顯分界線。韋伯望遠鏡的主要科學目標之一就是研究恒星是如何形成的，而船底座星云無疑是一個絕佳的研究目標。盡管數(shù)十年來，天文學家對于恒星的類型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、演化歷程都有了相當詳細的了解，然而，星際間彌漫的云氣究竟是如何聚集成一顆顆的恒星及其周圍的行星系統(tǒng)，卻還有很多不清楚的地方。強大無比的韋伯望遠鏡有望讓人類看清這一切。南環(huán)星云（Southern Ring），又稱八字星云（Eight-Burst Nebula），屬于行星狀星云（圍繞一顆垂死恒星的膨脹氣體云），直徑接近半光年，距離我們約2000光年。星云圍繞一顆與我們太陽很相似的恒星，由于外層氣殼發(fā)出的輝光，而贏得八字星云、南環(huán)狀星云的稱號。透過韋伯拍下的近紅外、中紅外光譜圖像，讓我們有幸一睹行星狀星云更清晰的結(jié)構(gòu)肌理，五十億年后的太陽殘影。韋伯就像一部宇宙攝影機，追蹤恒星的一生，記錄下其如何誕生，又如何消亡。圖3 韋伯上的兩臺相機拍攝了這個行星狀星云的最新圖像，編號為NGC3132，非正式地稱為南環(huán)星云。它距離我們大約2,500光年 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI 很遺憾這不是驚艷的宇宙神圖，而是一張紅外光譜圖，屬于一顆編號為WASP-96b系外行星的大氣光譜分析圖。韋伯望遠鏡另一項使命就是透過大氣光譜研究系外行星，從而告訴我們一些關(guān)鍵信息，比如這顆系外行星由什么構(gòu)成的，移動速度有多快，溫度有多高等等。圖4 近紅外成像儀和無狹縫光譜儀的這項觀測表明，韋伯有能力詳細描述系外行星的大氣層——包括可能適合居住的行星的大氣層 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI 韋伯望遠鏡能夠以驚人的精確度識別大氣中的分子。透過這張圖，我們可以看到清晰的水蒸氣標記，WASP-96b并不適合孕育生命，因為其離母星太近，溫度太高。這顆氣態(tài)巨行星貌似木星，但質(zhì)量大約只有木星的一半，距離地球近1150光年，每3.4天繞母恒星公轉(zhuǎn)一次。韋伯望遠鏡能夠讓天文學家對系外行星的認識，不再只有多大、多重、多遠這些淺顯的描述，而是能夠知道大氣的組成、溫度與垂直結(jié)構(gòu)，以及隨著季節(jié)、軌道半徑等其他因素的變化，進而深入了解這些外星世界，甚至是尋找生命可能存在的跡象。圖5 斯蒂芬五重奏位于飛馬座，由法國天文學家愛德華·斯蒂芬于1877年發(fā)現(xiàn) | 圖源：NASA, ESA, CSA, and STScI 斯蒂芬五重奏星系（Stephan’s Quintet）位于飛馬座，距我們大約2.9億光年之遙，它是有史以來發(fā)現(xiàn)的第一個致密星系群，早在1877年由法國天文學家E·斯蒂芬發(fā)現(xiàn)。這幅大片是韋伯目前為止拍下的最大圖像，超過1.5億像素，由近1000個獨立圖像文件構(gòu)成。五個星系中的四個被鎖定在一起，形成親密接觸的宇宙群舞。有朝一日終將融為一體，這是研究星系合并與相互作用的絕佳第一手資料。透過這張宇宙群舞照片，還會幫助科學家了解超大質(zhì)量黑洞進食狀態(tài)以及生長速度。韋伯望遠鏡還能更直接地觀察恒星形成區(qū)域，并能檢測塵埃噴發(fā)——這是在此之前無法獲得的珍貴細節(jié)。作為哈勃太空望遠鏡、斯皮策太空望遠鏡的繼任者，韋伯后浪推前浪。首先，它硬件很硬，其口徑達6.5米，而哈勃望遠鏡只有2.4米。聚光面積高達25平方米，而哈勃只有4.3平方米。韋伯主鏡面積是哈勃太空望遠鏡的5倍以上。哈勃最大極限可以看到宇宙大爆炸后4.8億年的景象，而韋伯至少能夠觀測到宇宙誕生2億年時的景象。韋伯能看到更遙遠更古老的宇宙，有望探測宇宙早期模樣，發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸后形成的第一批恒星、星系。它的18塊六角形反射鏡，由稀有金屬鈹制成，表面涂有一層薄薄黃金，每個鏡面的拋光誤差均不超過10納米。更先進的地方，其每塊鏡片背部都裝有7個馬達，能在10納米的精度內(nèi)調(diào)整鏡片的形狀和方向。韋伯的主體不呈筒狀，而是在主鏡下展開座席狀的遮光板。這意味著，聚光部分和鏡面部分全都裸露在外，觀測范圍非常寬闊。韋伯代表著21世紀第二個十年的最高科技水準，哈勃太空望遠鏡則代表20世紀80年代的水平，可想而知兩者的差距。單從紅外波段上的觀測能力衡量，韋伯望遠鏡要比哈勃望遠鏡強大16倍，綜合觀測能力提升100倍。不過，它倆并不是競爭關(guān)系，只會互通有無、攜手合作，共同探索未知的宇宙。如果哈勃太空望遠鏡最長持續(xù)工作到2040年，韋伯太空望遠鏡至少科學觀測20年，樂觀估計他倆會有20年的聯(lián)袂黃金時段。回看哈勃望遠鏡30多年來，帶給我們一個個驚喜，不難預(yù)見，未來韋伯望遠鏡還會賜給人類別樣的宇宙禮物。一個充滿驚喜的黃金年代正在撲面而來。花了100億美金造這臺神器，值得！ 參考文獻：1. James Webb: Nasa space telescope delivers spectacular pictures By Jonathan Amos 2. NASA’s Webb Sheds Light on Galaxy Evolution, Black Holes By Rob Garner 3. Webb telescope peers deeper into the universe than ever before By Stephen Clark 4. 淺談 JWST 的科學意義：探索宇宙深處與塵埃后的外星世界！林彥興著 5. 最棒的圣誕禮：最強最貴最難產(chǎn)的太空望遠鏡，終于開啟發(fā)現(xiàn)之旅 三體引力波著
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