探索詹姆斯·韦伯太空望远镜首批图像中的隐藏瑰宝

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发布的首批图像以精美且前所未有的细节揭示了宇宙的新景象。这在很大程度上归功于望远镜的精心构造。在 JWST 的任务期间，我们将有很多东西要学习，从星系如何演化到系外行星大气层的成分。

来自这台望远镜的数据已经开始公开。最终，它的所有测量数据都将可供任何人使用。“实际上任何人都可以去探索宇宙；我们在这里没有保守任何秘密，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所 JWST 项目副科学家苏珊·穆拉利说。这就是 NASA 项目的妙处：数据是开放获取的。“科学是一个非常开放的过程，”穆拉利说。“正是通过集体知识，我们才得以理解我们在宇宙中的位置。”

这些首批华丽的图像和数据只是 JWST 团队希望从任务中获得的一小部分。“这只是一个演示。我们将每天从韦伯获得[海量数据]，”穆拉利说。随着科学家们开始畅饮 JWST 的数据洪流，她预计将发现关于我们宇宙的大量有趣的新信息。一些发现将证实我们已经怀疑的事情，而另一些发现可能会是范式转变。“请密切关注，”她说。“这仅仅是开始。”

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JWST 最深的星空视野——目前为止

JWST 发布的第一张图像通常被称为天文台的第一个“深空视野”，指的是天文学家针对看似贫瘠的天空区域进行长时间望远镜凝视，以揭示隐藏的微弱天体的技术。虽然这张照片被描述为深空视野图像，但牛津大学的天体物理学研究员贝基·史密瑟斯特说，这实际上是名不副实的。“这不是深空视野，”她说，因为图像的目标不是空旷的天空，而是 SMACS 0723，一个距离我们超过 40 亿光年的星系团。史密瑟斯特说，天文台的第一个真正的深空视野图像很可能会在 2023 年 1 月或 2 月发布，届时望远镜将按计划对哈勃太空望远镜拍摄超深空视野图像的同一片天空区域进行巡天。当该图像发布时，她预计许多“最古老星系”的记录将被打破，这要归功于该望远镜比哈勃望远镜看得更深入宇宙的能力。

尽管 JWST 对 SMACS 0723 的观测不是真正的深空视野图像，但它是迄今为止最深、最清晰的星系团图像。然而，它仅花费了 12.5 小时的观测时间来生成——大约比使用哈勃望远镜生成类似的但质量较差的图像所需的时间少一个数量级。SMACS 0723 中聚集了如此多的质量，以至于它显著地弯曲了周围的时空结构，充当“引力透镜”来扭曲和放大绕其传播的光线，并将遥远的背景星系放大到视野中。从这些更遥远的星系捕获的一些光是在大爆炸后不到十亿年发出的。

恒星蜘蛛、星系扭曲和宇宙哈哈镜

望远镜上的镜面和支杆的形状会改变明亮物体的外观，例如左图中心附近看到的泛红恒星。十八个独立的六边形镜片构成了 JWST 大型分段主镜，形成了一个巨大的蜂窝状孔径。主镜将红外光——人类看不到但可以感受到来自光源的热辐射——反射到较小的二级镜上。反过来，二级镜将光线发送到望远镜内部的探测器，以生成图像或收集其他数据。主镜形状为足够明亮的光源创建了一个六角星形的衍射图案：该图案中的每个“尖峰”都朝向六边形的一个顶点延伸。将小镜子固定在远离主镜位置的支杆增加了另外六个衍射尖峰：两个清晰可见的水平辐射从明亮物体的中心发出。还有四个与主镜形状引起的尖峰重叠。总之，这使得 JWST 图像中最亮的恒星周围出现八个可见的衍射尖峰，使它们具有近乎蜘蛛状的外观。

值得注意的是，望远镜的光学器件非常灵敏，即使对于在哈勃图像中没有尖峰的明亮星系，也会出现衍射图案。“如果你放大一些星系，你实际上可以在中心非常微弱地看到这种形状，”史密瑟斯特说。她补充说，这可能是一个“非常酷的识别工具”，因为它可能标志着这样一个星系中心存在一个明亮、正在增长的超大质量黑洞。

在 JWST 的 SMACS 0723 深空视野的放大区域中，橙红色的星系（中心图像中所示）由于引力透镜效应而显得拉长和扭曲。巨大的天体（如星系团）的质量可以充分弯曲时空，从而改变光线传播的路径。来自该星系的光线传播了 84 亿年才被 JWST 捕获，这使得该星系的形成时间约为宇宙诞生后 54 亿年。科学家可以通过仔细测量星系发射光的颜色偏移来确定星系的距离和大致年龄。天空中所有的星系，除了少数几个离我们相对较近的星系外，都在以高速远离我们而去，这是由宇宙自身的膨胀所推动的。一个星系离我们越远，它通过宇宙膨胀运动的速度就越快——而且，由于光速是有限的，到达我们的光就越古老。这种光线因膨胀而“红移”，其波长在跨星系空间传播时被拉长，变得更长更红。精确量化这种红移可以得出距离和年龄的估计。

引力透镜效应不仅会导致遥远的星系看起来扭曲；它还可以产生星系的镜像。在右图（原文有误，应为“右下方图像”）中，中心弧线似乎是同一个红色星系，它被 SMAC 0723 中巨大的前景星系镜像和拉伸。当物体的光线围绕引力透镜采取多条路径时，就会出现这种镜像。在这种情况下，这些弧线可能实际上是两个不同但相似的星系，每个星系都经历了自己的引力透镜效应。但是，如果没有更多的数据，很难知道是哪种情况。幸运的是，JWST 的一些仪器可以收集给定视野中许多（如果不是全部）天体目标的spectra（光谱）。这些光谱是关键的诊断工具，不仅揭示了目标的运动、距离和年龄，还揭示了目标的组成，因为不同的原子和分子都会在天体发射的光线上留下各自的光谱印记。仔细的光谱分析可以揭示深空视野图像中的哪些弧线实际上是镜像，哪些是海市蜃楼。比较该弧线中的光谱证实了这一推测：它代表一个星系，被引力透镜扭曲和镜像。

热空气的光谱嗅探

从天体收集高分辨率光谱还使 JWST 能够比以往任何时候都更详细地探测遥远的系外行星。“让我兴奋的事情之一是尝试窥探类地行星的大气层，”穆拉利说，“当我们朝那里看时，我们真的不知道会发现什么。”关于系外行星大气层的关键问题，例如它们的成分，可以使用透射光谱来回答，例如此处所示的光谱。它是从气体巨行星系外行星 WASP-96 b 收集的，该行星围绕一颗距离地球 1,150 光年的恒星运行，轨道非常靠近恒星。透射光谱是在系外行星“凌日”经过其轨道恒星前方时收集的，从而可以将穿过其高层大气层的星光隔离并进行研究。大气中的分子吸收不同波长的光，并充当特定波长的滤光片。因此，比较行星凌日之前和期间宿主恒星的光谱可以揭示该世界大气层中普遍存在的原子和分子。这是第一个在单次观测中收集如此广泛的红外波长范围的凌日系外行星光谱的透射光谱。它揭示了 WASP-96 b 极其炎热的大气层中存在水蒸气和其他分子。背景插图基于天文学家根据累积的可用数据对该世界外观的最佳猜测。

动态二重奏的初瞥

JWST 最擅长的电磁频谱有两个部分：近红外光和中红外光。当在两种光线下并排观察同一个目标时，它看起来可能会非常不同，正如这些南环星云的图像所示，该星云距离我们约 2,500 光年。望远镜的近红外相机 (NIRCam) 拍摄了左边的图像，其中红外仪器 (MIRI) 生成了右边的图像。虽然 NIRCam 图像可能看起来好像只有一个恒星位于这个尘埃环的中心，但实际上存在两颗恒星。MIRI 图像揭示了第二颗恒星，一颗白矮星，它被 NIRCam 图像中其邻星的衍射尖峰隐藏了。这证实了关于双星系统创造了星云的假设。“我们以前从未见过[白矮星]，”史密瑟斯特说。“韦伯望远镜基本上是第一次揭示了它。”

这种来自单个目标的多个视角的见解是韦伯宽带红外功能的一部分。虽然近红外光对尘埃是透明的，但恒星加热的尘埃会在中红外线中热辐射光，导致被尘埃笼罩的白矮星在 MIRI 图像中显得更亮更大。这颗恒星是创造了环绕这对恒星的环状物质壳的恒星。在变成白矮星之前，这颗恒星很像我们的太阳。但随着它衰老到恒星衰老期，它将其大部分外层气体喷射到太空，形成了星云。它的轨道邻星帮助扩散了物质，从而形成了 JWST 捕获的美丽景象。

宇宙悬崖的边缘

一张距离我们约 7,600 光年的卡丽娜星云中恒星育婴室的图像显示，巨大的年轻恒星被漩涡状的气体和尘埃包裹着。最年轻的恒星在云层中呈现为红色的针尖光点。这张图像由 JWST 的 NIRCam 拍摄，使其能够捕捉到先前隐藏在遮挡尘埃内部和后面的特征。来自炽热新生恒星的高能紫外线辐射——与导致晒伤的光线相同——和恒星风侵蚀了周围的一些物质，雕刻出了天文学家称为“宇宙悬崖”的东西。事实上，看起来像从“悬崖”上升起的白色蒸汽是热尘埃和电离气体，它们在紫外线辐射与星云相互作用时流失。这只是整个卡丽娜星云的泡状分支边缘的一小部分，它延伸超过 200 光年的太空。相比之下，这张图像只有大约 16 光年宽。

悬崖边的特写

在这张放大的宇宙悬崖 MIRI-NIRCam 合成图像中，围绕恒星的粉红色和红色的行星形成尘埃环显现出来，碳氢化合物发出半透明的光芒，非常像地球暮色天空中的云彩。在中心左侧，一颗新生恒星可以通过其金色的尾巴来识别。虽然它在之前的 NIRCam 单独图像中看起来像一颗彗星，但 MIRI 数据的添加揭示了尘埃婴儿正在喷射出一个圆锥形的原始恒星喷流。在中心右侧，另一颗恒星爆发出一阵尘埃和气体，以金色突出显示。

星系间的舞会

JWST 迄今为止捕捉到的最大图像是被称为斯蒂芬五重星系的星系团，以 1877 年首次通过简陋得多的地面望远镜发现它的那个人命名。在所谓的五重星系中，实际上只有四个星系足够近，可以相互引力作用。剩下的第五个星系（最左边）距离地球近约 2.5 亿光年。四个足够接近而被卷入宇宙之舞的星系可能会让我们更好地了解这种相互作用如何驱动星系演化。这张合成图像显示了近红外光和中红外光。与许多其他图像一样，它揭示了每个星系以前被遮蔽的细节，包括中心星系对顶部的星系在星系团区域中猛烈撞击其他星系时产生的冲击波。围绕该星系对的冲击波以红色和金色突出显示。黑色背景点缀着八角星和遥远的星系。

聚焦超大质量黑洞

当您在 JWST 图像中看到从天体发出的蜘蛛状衍射尖峰时，您就知道您正在观察一个明亮的东西。在这种情况下，左侧仅使用 MIRI 拍摄的斯蒂芬五重星系图像揭示了一个潜伏在该星系群其中一个星系中的耀眼怪物。这里的衍射尖峰来自一个正在吞噬物质的超大质量黑洞，它包含超过 2400 万倍太阳质量。尘埃、气体和其他物质被困在黑洞的引力控制中，在它们围绕黑洞的巨口旋转时产生摩擦并加热到极高的温度。虽然没有光线从黑洞本身逸出，但螺旋进入黑洞的极热物质会发出大量的红外线。相比之下，右侧仅使用 NIRCam 拍摄的该星系图像仅揭示了星系恒星发出的缕缕白光中这些细节的极小一部分，其中一些恒星您可以看到是红色的针尖光点。

本文的另一个版本，标题为“图像中的科学”，被改编并收录在 2022 年 10 月号的《大众科学》杂志中。