當您想到美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的成果時，影像，例如星雲中漩渦狀的彩色雲彩，比我們以往見過的更古老的星系，以及正在誕生的幼年恆星可能會浮現在腦海中。在太空中的第一年，美國宇航局新型強大望遠鏡的成果已榮登《大眾科學》雜誌封面、時代廣場的廣告牌，以及天文愛好者和普通讀者的電腦螢幕。包括美國總統在內的世界各地的觀眾都驚歎於這臺神奇機器所看到的宇宙景象。
然而，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡最令人難以置信的成果之一卻在很大程度上被忽視和低估了。您可能錯過了它，甚至將這張影像視為一個單調的點——遠不如卡麗娜星雲等壯麗景象。
這張影像顯示了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在不同波段的紅外光下看到的系外行星 HIP 65426 b。底部的影像看起來不同，因為不同的韋伯儀器捕獲光線的方式不同。日冕儀阻擋了宿主恆星的光線，因此可以看到行星。圖片來源：NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), ERS 1386 團隊和 A. Pagan (STScI)
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我相信迄今為止最令人興奮的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡成果就是那個點——望遠鏡的第一張系外行星影像，一顆圍繞另一顆恆星執行的行星。
當然，作為一名研究重點恰好是這個主題的天文學家，我可能有點偏見。但請聽我說；當我看到第一張影像時，我真的在電腦前歡呼雀躍。
那些小而塊狀的斑點是來自一顆真實行星的光，它幾乎是木星的 10 倍大，距離地球近 400 光年，被稱為 HIP 65426 b。它圍繞一顆比我們的太陽大得多的恆星執行，而且非常年輕——事實上，它仍然因其形成的原始熱量而溫暖，在紅外光中發出明亮的光芒。這些紅外光子直接從另一個世界傳播到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡宏偉的金色蜂巢鏡，形成了我們看到的影像。它們不僅僅是簡單的點。
人類竟然設法直接觀察到另一顆行星，這真是令人難以置信——這項任務被比作從數百英里外拍攝城市燈火中嗡嗡作響的螢火蟲。與它們所環繞的明亮恆星相比，行星極其微弱，因此為了觀察它們，我們必須篩選星光，以揭示下面的行星。天文學家透過使用一種稱為日冕儀的裝置來過濾星光來解決這個問題，日冕儀會阻擋恆星明亮的中心區域，並透過自適應光學技術保持影像穩定和清晰。
第一顆直接成像的行星是2M1207b，一顆比木星大五倍的氣態巨行星，於 2004 年由智利沙漠高處的一架望遠鏡發現。大約 10 年後，迄今為止最小的直接成像行星被發現：51 Eridani b，只有木星的兩倍大。直接成像目前僅限於此類較大的行星。雖然像開普勒和苔絲這樣的望遠鏡透過尋找稱為凌星的星光中的小幅度下降來發現行星
，已經發現了數千顆系外行星，但直接成像的總數徘徊在區區 50 顆左右。
考慮到難度，為什麼直接成像具有吸引力？因為系外行星的軌道透過直接成像得到了完美的展示，首先是這樣。無需像許多其他探測技術那樣解開復雜的次要訊號——相反，您可以簡單地觀看行星的運動，就像 HR 8799 系統（我們太陽系外圍的放大版本） 中的行星一樣。
更重要的是，直接成像透過光譜為系外行星的大氣層提供了一個獨特的視窗。光譜是天文學家探索宇宙最珍貴的工具，因為它們提供了有關天體的化學成分、溫度、磁場等等的資訊。光譜只是將來自物體的光線分散成整個彩虹——通常，彩虹的某些部分會缺失。這些都是線索。當原子吸收光線時，它們會產生特定於所吸收元素的譜線，從而為每種化學物質建立獨特的指紋。系外行星光譜揭示了行星大氣層中正在發生的事情，甚至包括可能的生命跡象。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡去年秋天釋出的第一張系外行星影像之後，又在 3 月釋出了第一張系外行星的直接光譜，被描述為“迄今為止行星質量物體的最高保真度光譜”。雖然這顆系外行星 VHS 1256b 遠非宜居——它是一個飽受折磨的世界，充滿了炎熱的沙塵暴——但其精美的光譜證明了我們現在可以為遙遠的世界獲取多少資訊，遠遠超出了以往的能力。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡具有獨特的優勢，它位於地球上方，遠離地球令人討厭的大氣層；我們星球周圍的空氣會使影像模糊，並阻擋某些波長的光線，例如長波紅外線，這對於直接表徵系外行星非常有用。太空望遠鏡還可以解析行星光譜中的細節，比以前的地面直接成像儀器精細約 100 倍。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的第一顆直接成像行星和行星大小物體的第一張直接光譜都是直接成像（系外行星探測的弱勢群體）向前邁出的巨大步伐，展示了它的前景。當我們尋找生命並朝著全面表徵行星而不是僅僅識別它們的方向發展時，直接成像將推動新的發現。
雖然其他系外行星搜尋方法（例如凌星光譜學）可以檢索光譜，但高對比度成像在穿透雲層並獲得原始細節的大氣資料方面具有無與倫比的能力。這對於尋找生命跡象（生物特徵）至關重要——這一目標非常重要，以至於美國國家科學院的一個主要委員會（稱為天文學和天體物理學十年調查）最近將尋找宜居世界確定為整個天文學界的首要任務。
十年調查還規劃了兩個主要望遠鏡專案，高對比度成像是其關鍵能力：地面上的極大望遠鏡 (ELT)，以及大型紫外線、光學和紅外太空望遠鏡。ELT 是下一代主要的地面望遠鏡，擁有直徑約 30 米或更大的巨大反射鏡，例如 三十米望遠鏡、巨型麥哲倫望遠鏡 和 歐洲極大望遠鏡。這些設施將比我們目前最大的光學望遠鏡（如夏威夷的凱克天文臺，直徑約為 10 米）有巨大的改進。
為了建造如此大的反射鏡，工程師必須將單獨的反射鏡片組合成蜂巢形狀，就像詹姆斯·韋伯太空望遠鏡著名的金色反射鏡一樣。這種複雜的裝置比實體反射鏡帶來了更多的工程挑戰，需要科學家以一絲不苟的精度對齊所有鏡片。儘管我們在地面上使用這項技術已經有了多年的實踐經驗，但詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是我們對太空分段反射鏡的首次重大測試，它的表現非常出色——這是未來這些大型天文臺朝著正確方向邁出的一步。
美國宇航局也已經在為其下一個主要太空天文臺宜居世界天文臺 (HWO) 制定計劃，希望它能在 2040 年代問世。ELT 和 HWO 的目標都是拍攝第一張類地系外行星的影像，並將以目前為詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等天文臺開發的直接成像技術為基礎。現在使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡進行的觀測對於系外行星科學來說也是重要的探路者，因為天文學家現在需要儘可能多地瞭解系外行星，以便為 HWO 選擇最佳目標。
直接成像是系外行星探索的未來，並且很可能成為我們發現外星生命跡象的方式。來自詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的第一批直接成像行星是我們前方激動人心道路上的一個里程碑。雖然它們可能看起來像微不足道的點，但它們預示著我們最瘋狂的科幻夢想的實現。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。