世界最強大的太空望遠鏡應該指向哪裡？ 這不是一個容易回答的問題。 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 於 2021 年 12 月發射升空，自 2022 年 7 月開始傳回首批科學資料以來，一直令天文學家驚歎不已。 它已經看到了令人歎為觀止的、接近時間開端的星系，以前所未有的細節探測了系外行星的大氣層，並提供了我們太陽系中世界令人驚歎的新景象。 但這僅僅是個開始。 上週 5 月 10 日，天文學家得知了他們為望遠鏡第二個科學年提交的提案是否 獲得成功。 競爭非常激烈，雖然有很多獲勝者和一些令人難以置信的科學研究即將展開，但更多的人錯過了 JWST 的“週期 2”，該週期將於下個月開始。 執行 JWST 的馬里蘭州空間望遠鏡科學研究所 (STScI) 的臨時主管南希·列文森說：“科學界做出了非凡的反應。”
總共有約 1,600 份提案提交給 STScI，申請使用美國宇航局主導的 JWST 的觀測時間。 但只有 249 份被選中——這意味著 JWST 的“超額認購”接近 7 比 1，與哈勃太空望遠鏡的情況類似。 為了最大限度地減少偏見的可能性，JWST 專案的選擇過程是完全匿名的，來自多個子領域的數百名天文學家參與了決策過程。 話雖如此，但還是有明顯的贏家和輸家。 一些天文學家，例如英國曼徹斯特大學的內森·亞當斯，提出了多項提案，但都被拒絕了。 亞當斯說：“我們有四項提案，但都沒有獲得時間。 “顯然我們有點失望。” 其他人，例如德克薩斯州 A&M 大學的瑪麗·安妮·林巴赫，則更加成功。 林巴赫有三項提案獲得批准。 她說：“我們對我們獲得的時間感到興奮。”
林巴赫的提案 專注於白矮星，這是像我們的太陽這樣的恆星膨脹成紅巨星並噴射出外層後留下的地球大小的殘骸核心。 在這個戲劇性的事件之後，人們認為這些恆星屍體仍然可以容納完整的行星——這可能為我們提供研究它們的機會，並更多地瞭解地球在 50 億年後太陽進入紅巨星階段時可能遭受的命運。 林巴赫將嘗試確認兩顆疑似的白矮星世界，但也會在天空的其他地方尋找多達六顆白矮星。 她說：“JWST 可以看到任何這些附近的白矮星是否比它們應有的亮度更亮。 “如果它們確實更亮，那可能表明那裡有一顆行星。 JWST 真的是唯一能夠確認它們的觀測站。”
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JWST 的週期 1 的一個主要領域（約有 1,200 份提案）是尋找宇宙中已知的最早星系，這些星系形成於大爆炸後僅幾億年。 週期 2 也是如此，星系和系外行星都獲得了最多的望遠鏡時間。 哈佛大學的丹尼爾·艾森斯坦的一份已獲批准的提案希望將 JWST 推向極限，透過尋找可能遠至大爆炸後僅 2 億年的星系。 遙遠星系的距離以紅移來衡量——即我們從星系看到的光被宇宙膨脹轉移到光譜紅色端的程度。 艾森斯坦將尋找紅移超過 15 的星系，比迄今為止明確看到的任何星系都更遠。 他說：“我們還沒有一個令人信服的紅移超過 15 的星系案例。 “能夠繼續第一年開始的搜尋，真是令人興奮。”
麻省理工學院的羅漢·奈杜也將搜尋遙遠的宇宙，但不是為了尋找那些最高紅移的星系。 相反，他的專案（他與蘇黎世瑞士聯邦理工學院 (ETH Zurich) 的約裡特·馬蒂共同領導）將利用一個名為阿貝爾 2744 的巨型星系團來引力放大一些較小天體的光，這些天體在大爆炸後最多 7.5 億年。 目標是尋找原始氣體團，其中可能包含第三星族恆星團——據信是照亮宇宙的第一代恆星。 這些長期以來被理論化的天體尚未被直接觀測到，但預計幾乎完全由純氫和氦組成——這應該使它們變得巨大，每個天體的重量都是太陽的數百倍。 奈杜說：“我們真的在將 JWST 推向極限。 “我們將找回一些非常有希望的區域，這些區域可能正在孕育這些星團。”
JWST 週期 1 的一個關鍵目標是 TRAPPIST-1 系統，這是一個由七個地球大小的世界組成的排列——其中一些可能適合居住——圍繞著一顆距離地球約 40 光年的紅矮星。 雖然週期 1 中選擇了三個 TRAPPIST-1 專案，但是，這次只選擇了一個，由比利時列日大學的米歇爾·吉隆領導。 他將尋找 TRAPPIST-1b 和 c 的大氣層，這是該系統中最內側的兩顆行星。 對 TRAPPIST-1b 的早期研究表明，它沒有大氣層，但吉隆說他的技術——測量行星白天和黑夜側之間的溫差——將確切地告訴我們答案。 這可能對 TRAPPIST-1 的其他更溫和的世界產生重要影響，這些世界可能可以支援生命。 他說：“如果我們能夠證明這兩顆行星中的一顆有大氣層，我們將能夠很好地要求 JWST 開展一項雄心勃勃的專案，以深入研究其他行星。”
在離我們更近的地方，德克薩斯州西南研究院 (SWRI) 的克里斯托弗·格萊恩將使用 JWST 探測土星的衛星土衛二，它可能在其冰冷表面下蘊藏著可居住的海洋。 美國宇航局的卡西尼號宇宙飛船於 2004 年至 2017 年繞土星執行，其觀測結果表明，這顆衛星偶爾會透過其南極的羽流從這個海洋中噴射出水。 雖然目前沒有宇宙飛船繞土星執行，但 JWST 是次佳選擇。 令人難以置信的是，它將能夠在土衛二表面“尋找海洋化學的證據”，格萊恩說。 它甚至會對某些物質（如氨和各種有機分子）敏感，這些物質可以告訴科學家關於這顆衛星隱藏海洋的宜居性。 2040 年，土衛二的南極將進入漫長的冬季黑暗期，該黑暗期將持續到 2055 年，這使得未來在那裡著陸以尋找生命變得困難。 然而，格萊恩希望透過 JWST 表明，這顆衛星的極地羽流正在整個表面沉積冷凍的海水噴霧，甚至可能一直到達陽光照射的赤道，在那裡著陸可能更可行。 他說：“JWST 可以充當卡西尼時代和土衛二著陸器之間的橋樑。”
並非所有研究領域都如此幸運。 哥倫比亞大學的大衛·基平提交了兩份提案，使用 JWST 尋找繞系外行星執行的衛星，稱為系外衛星。 基平說，JWST “是人類有史以來建造的第一臺真正有能力進行這項實驗的機器”。 但這兩項提案都被拒絕了。 “我們當然很失望，”他說。 “我們真的覺得這是一個板上釘釘的論點。”
基平說，JWST 應該能夠找到小到木衛二大小的系外衛星，但即使不能，結果“也會非常深刻”。 未能發現預期的系外衛星群“將意味著我們在太陽系中使用的模型並非普遍適用”，他說，並且可能暗示我們當地豐富的月球衛星是一種與宇宙常態的奇怪偏差。 時間至關重要，考慮到 JWST 是現在或可預見的未來唯一可以尋找系外衛星的望遠鏡。 基平指出：“JWST 可能會持續十年，甚至更長時間。 “如果我們從未使用它來尋找系外衛星，我們真的會後悔的。 那將太可惜了。”
列文森知道，有些專案未被選中會感到失望。 她說：“有很多很棒的想法，我們無法在本週期內觀察到。 對於那些錯失機會的人來說，再次嘗試並申請週期 3 的截止日期是 10 月。 基平說：“我們必須不斷嘗試。 “JWST 不會永遠在那裡。” 對於那些幸運地入選的人來說，將會有豐富的科學收穫。 列文森說：“JWST 非常適合進行各種科學研究。 “我們肯定還沒有完成。”