詹姆斯·韦布太空望远镜发射一周年——八项绝技开启天文学新纪元

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翻译：Betty Liu
校对：牧夫天文校对组
后期：李子琦
责任编辑：毛明远

工作中的詹姆斯·韦布太空望远镜的艺术插图 | 图片来源：ESA/ATG 媒体实验室
1年前，人类最雄心勃勃且成本最高的太空望远镜詹姆斯·韦布向远离太阳的 L2 拉格朗日点进发。


它经历了一次惊心动魄的部署：通过了344个潜在故障点它的镜子和遮阳罩成功展开，造价 100 亿美元的韦布太空望远镜（Webb 或 JWST）源源不断地产出优质的天文观测数据。仅仅观测了不到六个月后，它已经得到很多革命性的观测数据，科学家们已经利用它们做出了几项重要破纪录的重大发现。
让我们一起看看韦布太空望远镜的八大绝技。
1
看得更远, 看得更久远

插图是韦布观测到的两个高红移星系的特写。一个红移为10.5，另一个为12.5。大多数前景星系都是Abell 2744星团的一部分 | 图片来源：NASA/ESA/CSA/T. Treu (UCLA)
要看到来自宇宙中最遥远星系的稀有光子，望远镜越大越好——韦布太空望远镜拥有太空中最大口径的主镜——直径6.5米。此外，因为物体距离越远，它的光红移就越大。所谓红移就是：星系离我们越远，由于宇宙的膨胀，它远离我们的速度就越快，所以它的光被拉伸得越多，即波长更长。


最遥远的星系，也是我们能看到的最久远的星系，它们发出的光在到达地球时已经是近红外波长。正是这种红移促使科学家设计韦布以专门研究近红外和中红外光。


大主镜和红外观测的两者结合使韦布能够让天文学家看得更远看得更久远，这有望改变我们对这些星系形成方式的理解。


在韦布发射之前，已知最遥远的星系是一个名为 GN-z11的星系。它的红移值为 11.1，这对应于134亿年前的星系，也就是大爆炸后仅4亿年。这是前任望远镜所能探测到的绝对极限。


但在韦布的第一份数据发布后不久，该记录就被打破了。天文学家利用Abell 2744这样的前景星系团充当引力透镜（质量很大的物体，例如星系团），利用它们的引力扭曲空间，产生类似放大镜的效果，放大来自更远物体的光。天文学家开始在这些镜头的背景中发现微弱的红色污迹——事实证明，这些污迹是有史以来最遥远的星系。


首先是一个红移为12.5的星系，被称为GLASS-z12（GLASS是一个特定测量程序的名称，“Grism Lens-Amplified Survey from Space”）。根据天文学家的计算，我们看到的这个星系存在于134.5 亿年前，即大爆炸后3.5亿年。


很快就出现了红移更大的星系。一个代号为Maisie's Galaxy，被认为存在于大爆炸后仅2.8 亿年，红移为14.3，而另一个红移为16.7，出现于大爆炸后仅2.5亿年。甚至有人声称存在一个红移为20的惊人星系，如果得到证实，那么说明我们发现了大爆炸后仅2亿年的星系。


韦布还在努力使用第二台仪器按波长分光确认这些发现。天文学家已经确认了一个红移为13.2的星系，我们观测到的是它宇宙诞生仅3.25亿年时的样子。


2
发现是什么点亮了宇宙

一位艺术家描绘的宇宙从大爆炸（右边）到现在（左边）的路径；在此期间，最早的恒星和黑洞产生了足以结束宇宙黑暗时代的光 | 图片来源：NASA/STScI
大爆炸之后，恒星和星系形成之前，宇宙是黑暗的，笼罩在中性氢雾中。最终，光线，尤其是紫外线辐射，使雾气电离。但是结束宇宙黑暗时代的光最初是从哪里来的呢？


天文学家认为，光要么来自充满恒星的年轻星系，要么来自活跃的超大质量黑洞，这些黑洞周围环绕着炽热气体组成的吸积盘，并向太空喷射强大的射流。就像是先有鸡还是先有蛋的问题，星系先出现还是黑洞先出现的问题是宇宙学中最大的难题之一。


韦布已经发现，它探测到的早期星系比预期的更亮、结构更清晰，球状核心周围显著的圆盘已经充满了恒星。这一特征表明，完全形成的星系很快就出现了——但它们是否已经包含超大质量黑洞还有待后续观测。幸运的是，韦布有望很快回答这个问题，当问题被解决时，它将提供一大块关于早期宇宙的拼图。
3
测量系外行星大气

艺术家对气态巨系外行星 WASP-39b 的遐想图 | 图片来源：NASA/ESA/CSA/J. Olmsted (STScI)
天文学家现在已经发现了5000多颗系外行星，而且还在不断增加，但尽管发现了如此多的行星，我们仍然对其中许多行星一无所知。韦布并不是为了发现新的系外行星而设计的，但它的目标是通过进行一种叫做凌星光谱学的技术来了解这些遥远世界的更多细节。


当一颗行星从它的恒星前面经过时，恒星的一些光会透过行星的大气层，大气中的分子会吸收一些星光，在恒星的光谱中形成暗线，这是一种按波长分开的条形码状光。了解一颗行星的大气层中有什么，甚至它是否有大气层，可以让天文学家了解行星可能是如何形成和演化的，它的条件是什么样的，以及该大气层中正在发生什么化学过程。

系外行星WASP-39b的大气成分 | 图片来源：NASA/ESA/CSA/J. Olmsted (STScI)

早期的结果非常令人鼓舞。8月，天文学家宣布韦布首次在系外行星大气中检测到二氧化碳气体，这次是 WASP-39b，距离我们 700 光年。后来11月，天文学家发布了更完整的光谱，显示了WASP-39b大气中元素和分子的吸收线，不仅包括二氧化碳，还包括一氧化碳、钾、钠、二氧化硫和水蒸气。


这些发现是迄今为止对系外行星大气层的最详细分析。


光谱表明，该行星大气中的氧气比碳多得多，而且硫含量也很丰富。科学家们认为，硫一定来自WASP-39b在形成时与较小的星子发生的多次碰撞，这为我们提供了行星演化的线索，也可能暗示了我们太阳系中的气态巨行星木星和土星是如何形成的。此外，二氧化硫的存在是系外行星上光化学产物的第一个例子，因为当恒星的紫外线与行星大气中的分子发生反应时，就会形成这种化合物。


4
搜索生命和宜居性的线索

艺术家对TRAPPIST-1系统中七颗行星的描绘 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech）
上述对WASP-39b的观测预示着即将对TRAPPIST-1系统的行星进行研究，该系统由七颗岩石行星组成，围绕一颗距离地球40.7光年的红矮星运行。其中四颗位于恒星的假定宜居带，那里的温度可以维持表面液态水。如果条件合适，它们可能在不同程度上适合居住。


韦布的初步观察集中在TRAPPIST-1c。模型预测它将拥有类似于金星的大气层，含有大量二氧化碳。虽然TRAPPIST-1c可能太热而不适合居住，但可以继续研究：确定它是否有大气层。如果有，大气层是否含有二氧化碳。这也将是一项艰巨的任务，需要100 小时的韦布观测时间，而韦布在其第一年已有大约10000小时的科研观测安排。


从TRAPPIST-1c开始，科学家们更加雄心勃勃，韦布的目标是TRAPPIST-1系统中的其它行星，以及附近其他恒星周围的类似行星。天文学家将密切关注生物特征，例如大气中同时存在甲烷和氧气。WASP-39b大气中光化学反应的发现也是重要的一步，因为光化学反应驱动了生命的碳基分子构建块的形成。


5
研究宇宙化学和星系演化

星系合并，例如图中的IC 1623，可以驱动恒星形成，进而增加星系的化学丰度 | 图片来源：ESA–Webb/NASA/CSA/L. Armus & A. Evans
一些恒星可以存活数十亿年，但其它恒星只存在很短的时间，要么超新星爆炸，要么膨胀成为一颗红巨星，然后将其外层抛射到深空。在这两种情况下，恒星都会在太空中散布大量比氢和氦更重的元素形成的宇宙尘埃。


事实证明，星系质量、恒星形成率和化学丰度之间存在关联。在高红移时偏离这种关系可能表明星系在早期宇宙中的演化不同。在韦布之前，天文学家测量星系中各种元素的丰度，最高可达3.3的红移。即为大约115亿年前存在的星系。但这些重元素在更早的星系中的含量多少有点神秘，而这里韦布将彻底改变我们的认知，提供丰裕的科学新发现的机会。


韦布的早期研究结果表明，恒星形成与质量之间的关系确实适用于红移高达8的星系，但它们的重元素丰度比预期低三倍。这种差异表明恒星和星系的形成速度比我们想象的要快，在足够多代的恒星有机会消亡并将它们的元素分散到宇宙之前。


6
着眼于太阳系

韦布拍摄的明亮木星及其微弱的光环和几颗小卫星 | 图片来源：NASA/ESA/Jupiter ERC Team/Ricardo Hueso (UPV/EHU) 和 Judy Schmidt
尽管韦布旨在探测深空，但它也可用于观察我们最近的邻居，并且结果令人惊喜。


天文学家不确定当韦布指向木星时会发生什么，因为它移动的速度很快，而且与韦布通常观察到的遥远微弱星系相比，这颗行星太亮。科学家们担心木星可能会使韦布的敏感探测器超载或用它的强光抹去较暗的特征，但结果比想象的要好。韦布的图像显示出木星的微弱环和它的一些小卫星，以及行星的大气带和极光。


通过在近红外和中红外光下观察，以及韦布巨大主镜提供的高分辨率，天文学家能够更深入地观察木星的大气层，看看云顶下方发生了什么，并了解云层延伸的深度。



左边是火星模拟图，右边是韦布的火星表面热辐射图像 | 图片来源: NASA/ESA/CSA/STScI/Mars JWST–GTO 团队
韦布还拍摄了遥远的海王星、土星的卫星土卫六和火星。虽然韦布对这颗红色星球的描绘可能在美学上并不令人赏心悦目，但它显示了火星表面的温度变化以及大气中二氧化碳的吸收情况。未来，韦布将观测火星以追踪更稀薄的气体，例如可能起源于地质或生物活动的神秘季节性甲烷羽流。


7
正在揭示有关恒星形成的细节

韦布创生之柱的中红外图像 | 图片来源: NASA/ESA/CSA/STScI/J. DePasquale (STScI)/A. Pagan (STScI)
哈勃太空望远镜最具标志性的图像之一是创生之柱——在鹰状星云中发现的长达好多光年的分子气体柱。这些柱子是恒星诞生的宇宙托儿所。韦布重新审视了创生之柱，由此产生的近红外和中红外光图像与原始图像一样特别。


韦布的红外线成像能够穿透支柱中的尘埃，从而更好地观察内部正在形成的恒星，显示出处于坍缩成新生恒星边缘的分子气体结。当这些恒星只有几十万年的年龄时，它们就开始喷出侵蚀支柱边缘的喷流。


在其它地方，韦布提供了对这样一颗被称为L1527的原恒星最详细的观察之一，以及它如何与吸积在其上的分子气体相互作用，促使爆发清除蝴蝶状星云中的两个空腔。


在韦布之前，由于尘埃阻挡了它们的光线，对年轻恒星的光学观测是有限的。射电和亚毫米波观测可以探测到一些正在发生的事情，而以前的红外望远镜可以看到粗略的线条，但看不到任何细节。韦布现在提供了无与伦比的高分辨率。


8
改变了太空望远镜的建造方式

韦布的6.5米分段镜是一项创新，将在未来许多大型太空望远镜上使用 | 图片来源：NASA/Chris Gunn
韦布几经周折最终进入轨道。尽管已逾期数年且超出预算数十亿美元，但其革命性的设计为太空望远镜开辟了一条新道路。特别是它巨大的金色主镜，由18个六角形部分展开而成，是一项全新的工程，这样就可以将如此大尺寸的望远镜发射到太空。


未来，设计和建造韦布的努力不仅会带来革命性的科学发现，而且会激发下一代大型太空望远镜的设计灵感。


美国国家科学院关于天体物理学优先事项的十年报告建议将开发大型光学和紫外线望远镜作为最优先项目，以在2040年代的某个时候取代哈勃望远镜。该望远镜的镜面直径至少为8米，只有韦布首创的分段设计才能实现这一壮举。


望远镜可以折叠起来，就像韦布一样。火箭的大小不再限制望远镜的大小。无论这些未来的太空望远镜有什么发现，我们都要感谢韦布。
八项绝技：
1. 看得更远，看得更久远
2. 是什么点亮了宇宙
3. 测量系外行星大气
4. 寻找生命的线索
5. 宇宙化学与星系演化
6. 研究太阳系
7. 恒星是如何形成的
8. 改变太空望远镜建造方式
特约撰稿人<span style="font-size: 15px;"/>
Keith Cooper是英国的自由科学记者和编辑，拥有曼彻斯特大学的物理学和天体物理学学位。他是《接触悖论：挑战我们在寻找外星智能中的假设》（Bloomsbury Sigma，2020 年）的作者，并为众多杂志和网站撰写了有关天文学、空间、物理学和天体生物学的文章。
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