探索詹姆斯·韋伯太空望遠鏡首批影像中的隱藏瑰寶

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）釋出的首批影像以精美且前所未有的細節揭示了宇宙的新景象。這在很大程度上歸功於望遠鏡的精心構造。在 JWST 的任務期間，我們將有很多東西要學習，從星系如何演化到系外行星大氣層的成分。

來自這臺望遠鏡的資料已經開始公開。最終，它的所有測量資料都將可供任何人使用。“實際上任何人都可以去探索宇宙；我們在這裡沒有保守任何秘密，”巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所 JWST 專案副科學家蘇珊·穆拉利說。這就是 NASA 專案的妙處：資料是開放獲取的。“科學是一個非常開放的過程，”穆拉利說。“正是透過集體知識，我們才得以理解我們在宇宙中的位置。”

這些首批華麗的影像和資料只是 JWST 團隊希望從任務中獲得的一小部分。“這只是一個演示。我們將每天從韋伯獲得[海量資料]，”穆拉利說。隨著科學家們開始暢飲 JWST 的資料洪流，她預計將發現關於我們宇宙的大量有趣的新資訊。一些發現將證實我們已經懷疑的事情，而另一些發現可能會是正規化轉變。“請密切關注，”她說。“這僅僅是開始。”

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JWST 最深的星空視野——目前為止

JWST 釋出的第一張影像通常被稱為天文臺的第一個“深空視野”，指的是天文學家針對看似貧瘠的天空區域進行長時間望遠鏡凝視，以揭示隱藏的微弱天體的技術。雖然這張照片被描述為深空視野影像，但牛津大學的天體物理學研究員貝基·史密瑟斯特說，這實際上是名不副實的。“這不是深空視野，”她說，因為影像的目標不是空曠的天空，而是 SMACS 0723，一個距離我們超過 40 億光年的星系團。史密瑟斯特說，天文臺的第一個真正的深空視野影像很可能會在 2023 年 1 月或 2 月釋出，屆時望遠鏡將按計劃對哈勃太空望遠鏡拍攝超深空視野影像的同一片天空區域進行巡天。當該影像釋出時，她預計許多“最古老星系”的記錄將被打破，這要歸功於該望遠鏡比哈勃望遠鏡看得更深入宇宙的能力。

儘管 JWST 對 SMACS 0723 的觀測不是真正的深空視野影像，但它是迄今為止最深、最清晰的星系團影像。然而，它僅花費了 12.5 小時的觀測時間來生成——大約比使用哈勃望遠鏡生成類似的但質量較差的影像所需的時間少一個數量級。SMACS 0723 中聚集了如此多的質量，以至於它顯著地彎曲了周圍的時空結構，充當“引力透鏡”來扭曲和放大繞其傳播的光線，並將遙遠的背景星系放大到視野中。從這些更遙遠的星系捕獲的一些光是在大爆炸後不到十億年發出的。

恆星蜘蛛、星系扭曲和宇宙哈哈鏡

望遠鏡上的鏡面和支桿的形狀會改變明亮物體的外觀，例如左圖中心附近看到的泛紅恆星。十八個獨立的六邊形鏡片構成了 JWST 大型分段主鏡，形成了一個巨大的蜂窩狀孔徑。主鏡將紅外光——人類看不到但可以感受到來自光源的熱輻射——反射到較小的二級鏡上。反過來，二級鏡將光線傳送到望遠鏡內部的探測器，以生成影像或收集其他資料。主鏡形狀為足夠明亮的光源建立了一個六角星形的衍射圖案：該圖案中的每個“尖峰”都朝向六邊形的一個頂點延伸。將小鏡子固定在遠離主鏡位置的支桿增加了另外六個衍射尖峰：兩個清晰可見的水平輻射從明亮物體的中心發出。還有四個與主鏡形狀引起的尖峰重疊。總之，這使得 JWST 影像中最亮的恆星周圍出現八個可見的衍射尖峰，使它們具有近乎蜘蛛狀的外觀。

值得注意的是，望遠鏡的光學器件非常靈敏，即使對於在哈勃影像中沒有尖峰的明亮星系，也會出現衍射圖案。“如果你放大一些星系，你實際上可以在中心非常微弱地看到這種形狀，”史密瑟斯特說。她補充說，這可能是一個“非常酷的識別工具”，因為它可能標誌著這樣一個星系中心存在一個明亮、正在增長的超大質量黑洞。

在 JWST 的 SMACS 0723 深空視野的放大區域中，橙紅色的星系（中心影像中所示）由於引力透鏡效應而顯得拉長和扭曲。巨大的天體（如星系團）的質量可以充分彎曲時空，從而改變光線傳播的路徑。來自該星系的光線傳播了 84 億年才被 JWST 捕獲，這使得該星系的形成時間約為宇宙誕生後 54 億年。科學家可以透過仔細測量星系發射光的顏色偏移來確定星系的距離和大致年齡。天空中所有的星系，除了少數幾個離我們相對較近的星系外，都在以高速遠離我們而去，這是由宇宙自身的膨脹所推動的。一個星系離我們越遠，它透過宇宙膨脹運動的速度就越快——而且，由於光速是有限的，到達我們的光就越古老。這種光線因膨脹而“紅移”，其波長在跨星系空間傳播時被拉長，變得更長更紅。精確量化這種紅移可以得出距離和年齡的估計。

引力透鏡效應不僅會導致遙遠的星系看起來扭曲；它還可以產生星系的映象。在右圖（原文有誤，應為“右下方影像”）中，中心弧線似乎是同一個紅色星系，它被 SMAC 0723 中巨大的前景星系映象和拉伸。當物體的光線圍繞引力透鏡採取多條路徑時，就會出現這種映象。在這種情況下，這些弧線可能實際上是兩個不同但相似的星系，每個星系都經歷了自己的引力透鏡效應。但是，如果沒有更多的資料，很難知道是哪種情況。幸運的是，JWST 的一些儀器可以收集給定視野中許多（如果不是全部）天體目標的spectra（光譜）。這些光譜是關鍵的診斷工具，不僅揭示了目標的運動、距離和年齡，還揭示了目標的組成，因為不同的原子和分子都會在天體發射的光線上留下各自的光譜印記。仔細的光譜分析可以揭示深空視野影像中的哪些弧線實際上是映象，哪些是海市蜃樓。比較該弧線中的光譜證實了這一推測：它代表一個星系，被引力透鏡扭曲和映象。

熱空氣的光譜嗅探

從天體收集高解析度光譜還使 JWST 能夠比以往任何時候都更詳細地探測遙遠的系外行星。“讓我興奮的事情之一是嘗試窺探類地行星的大氣層，”穆拉利說，“當我們朝那裡看時，我們真的不知道會發現什麼。”關於系外行星大氣層的關鍵問題，例如它們的成分，可以使用透射光譜來回答，例如此處所示的光譜。它是從氣體巨行星系外行星 WASP-96 b 收集的，該行星圍繞一顆距離地球 1,150 光年的恆星執行，軌道非常靠近恆星。透射光譜是在系外行星“凌日”經過其軌道恆星前方時收集的，從而可以將穿過其高層大氣層的星光隔離並進行研究。大氣中的分子吸收不同波長的光，並充當特定波長的濾光片。因此，比較行星凌日之前和期間宿主恆星的光譜可以揭示該世界大氣層中普遍存在的原子和分子。這是第一個在單次觀測中收集如此廣泛的紅外波長範圍的凌日系外行星光譜的透射光譜。它揭示了 WASP-96 b 極其炎熱的大氣層中存在水蒸氣和其他分子。背景插圖基於天文學家根據累積的可用資料對該世界外觀的最佳猜測。

動態二重奏的初瞥

JWST 最擅長的電磁頻譜有兩個部分：近紅外光和中紅外光。當在兩種光線下並排觀察同一個目標時，它看起來可能會非常不同，正如這些南環星雲的影像所示，該星雲距離我們約 2,500 光年。望遠鏡的近紅外相機 (NIRCam) 拍攝了左邊的影像，其中紅外儀器 (MIRI) 生成了右邊的影像。雖然 NIRCam 影像可能看起來好像只有一個恆星位於這個塵埃環的中心，但實際上存在兩顆恆星。MIRI 影像揭示了第二顆恆星，一顆白矮星，它被 NIRCam 影像中其鄰星的衍射尖峰隱藏了。這證實了關於雙星系統創造了星雲的假設。“我們以前從未見過[白矮星]，”史密瑟斯特說。“韋伯望遠鏡基本上是第一次揭示了它。”

這種來自單個目標的多個視角的見解是韋伯寬頻紅外功能的一部分。雖然近紅外光對塵埃是透明的，但恆星加熱的塵埃會在中紅外線中熱輻射光，導致被塵埃籠罩的白矮星在 MIRI 影像中顯得更亮更大。這顆恆星是創造了環繞這對恆星的環狀物質殼的恆星。在變成白矮星之前，這顆恆星很像我們的太陽。但隨著它衰老到恆星衰老期，它將其大部分外層氣體噴射到太空，形成了星雲。它的軌道鄰星幫助擴散了物質，從而形成了 JWST 捕獲的美麗景象。

宇宙懸崖的邊緣

一張距離我們約 7,600 光年的卡麗娜星雲中恆星育嬰室的影像顯示，巨大的年輕恆星被漩渦狀的氣體和塵埃包裹著。最年輕的恆星在雲層中呈現為紅色的針尖光點。這張影像由 JWST 的 NIRCam 拍攝，使其能夠捕捉到先前隱藏在遮擋塵埃內部和後面的特徵。來自熾熱新生恆星的高能紫外線輻射——與導致曬傷的光線相同——和恆星風侵蝕了周圍的一些物質，雕刻出了天文學家稱為“宇宙懸崖”的東西。事實上，看起來像從“懸崖”上升起的白色蒸汽是熱塵埃和電離氣體，它們在紫外線輻射與星雲相互作用時流失。這只是整個卡麗娜星雲的泡狀分支邊緣的一小部分，它延伸超過 200 光年的太空。相比之下，這張影像只有大約 16 光年寬。

懸崖邊的特寫

在這張放大的宇宙懸崖 MIRI-NIRCam 合成影像中，圍繞恆星的粉紅色和紅色的行星形成塵埃環顯現出來，碳氫化合物發出半透明的光芒，非常像地球暮色天空中的雲彩。在中心左側，一顆新生恆星可以透過其金色的尾巴來識別。雖然它在之前的 NIRCam 單獨影像中看起來像一顆彗星，但 MIRI 資料的新增揭示了塵埃嬰兒正在噴射出一個圓錐形的原始恆星噴流。在中心右側，另一顆恆星爆發出一陣塵埃和氣體，以金色突出顯示。

星系間的舞會

JWST 迄今為止捕捉到的最大影像是被稱為斯蒂芬五重星系的星系團，以 1877 年首次透過簡陋得多的地面望遠鏡發現它的那個人命名。在所謂的五重星系中，實際上只有四個星系足夠近，可以相互引力作用。剩下的第五個星系（最左邊）距離地球近約 2.5 億光年。四個足夠接近而被捲入宇宙之舞的星系可能會讓我們更好地瞭解這種相互作用如何驅動星系演化。這張合成影像顯示了近紅外光和中紅外光。與許多其他影像一樣，它揭示了每個星系以前被遮蔽的細節，包括中心星系對頂部的星系在星系團區域中猛烈撞擊其他星系時產生的衝擊波。圍繞該星系對的衝擊波以紅色和金色突出顯示。黑色背景點綴著八角星和遙遠的星系。

聚焦超大質量黑洞

當您在 JWST 影像中看到從天體發出的蜘蛛狀衍射尖峰時，您就知道您正在觀察一個明亮的東西。在這種情況下，左側僅使用 MIRI 拍攝的斯蒂芬五重星系影像揭示了一個潛伏在該星系群其中一個星系中的耀眼怪物。這裡的衍射尖峰來自一個正在吞噬物質的超大質量黑洞，它包含超過 2400 萬倍太陽質量。塵埃、氣體和其他物質被困在黑洞的引力控制中，在它們圍繞黑洞的巨口旋轉時產生摩擦並加熱到極高的溫度。雖然沒有光線從黑洞本身逸出，但螺旋進入黑洞的極熱物質會發出大量的紅外線。相比之下，右側僅使用 NIRCam 拍攝的該星系影像僅揭示了星系恆星發出的縷縷白光中這些細節的極小一部分，其中一些恆星您可以看到是紅色的針尖光點。

本文的另一個版本，標題為“影像中的科學”，被改編並收錄在 2022 年 10 月號的《大眾科學》雜誌中。