詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 是历史上最先进的望远镜，这已不是什么秘密。 因此，使用它的需求非常高——令人难以置信地高。 上周，马里兰州的空间望远镜科学研究所 (STScI) 宣布了它选定的项目，这些项目将在望远镜第三年的科学观测中赢得一些宝贵的时间。 JWST 的最新征集活动从今年 7 月开始，正式名称为 周期 3，收到了创纪录的 1,931 份提案——是太空望远镜历史上最多的一次。 STScI 的副天文学家克里斯汀·陈表示，如此巨大的兴趣“并不令人意外”。 “基本上，开箱即用，一切都运行得非常好。” 鉴于这种受欢迎程度，有赢家，也有更多的输家； 仅选择了 253 份提案。* 但在赢家中，有大量令人兴奋的科学，包括寻找宇宙中最早星系的巡天（JWST 的主要优势）、可能存在生命的系外行星的研究，以及首次尝试利用 JWST 的力量来寻找系外卫星——围绕太阳系以外世界运行的天然卫星。
哥伦比亚大学的大卫·基平一直为系外卫星摇旗呐喊多年。 在之前的每个 JWST 周期中，他都曾不成功地提出系外卫星搜寻计划，因此他对最近一次充满希望的尝试降低了期望——这就是为什么当他在 2 月 29 日上课时瞥了一眼智能手机，看到 STScI 发来的电子邮件通知时如此惊讶。 “它只是说，‘我们很高兴地通知您……’”他说。 “我掐了自己一下。 我不认为这是真的——我以为这是一个残酷的玩笑。 我不得不停课！” 这封电子邮件证实了基平最疯狂的梦想已经成真； 他说，JWST 是迄今为止寻找——然后确认——候选系外卫星的最强大的天文台。 他提出的一个系外卫星项目，由他在哥伦比亚大学的研究生本·卡塞斯领导，已被选中。 “我截了屏，”卡塞斯说。 “我就像，‘不许反悔。’”
他们的计划将观察一颗围绕开普勒-167 星运行的木星大小的行星，该恒星距离地球约 1,100 光年。 这颗行星会凌日其恒星，大约每 1,000 天穿过恒星表面，向地球投下尘世的阴影。 下一次凌日将发生在 10 月 25 日，届时卡塞斯和基平将使用 JWST 的远视红外眼寻找一个或多个伴随系外卫星的明显证据，这些系外卫星的大小可达木星自己的盖尼米德或卡利斯托卫星。 该团队提交了三个系外卫星提案，但这是他们最喜欢的提案，基平说。 “我们没有任何比这更好的东西，”他说，这归功于行星的大小、它与恒星的距离以及它会凌日的事实。 如果研究人员发现任何东西，我们将有证据表明系外行星可以拥有卫星，从而开启科学探索的新领域。 如果他们没有发现，那么这个无效的结果将有助于设定关于卫星形成的重要约束，并且可能暗示我们系统的富含卫星的世界是宇宙中的罕见现象，而不是司空见惯的。
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哈佛-史密森天体物理学中心的艾米丽·帕斯也有一个系外卫星提案被选中——这是 STScI 批准的唯一另一个 JWST 系外卫星搜索计划。 她的研究将检查围绕红矮星 TOI-700 的两颗地球大小的世界，该恒星距离地球约 100 光年。 目标是寻找“真正类似于地月系统的卫星”，她说。 她的研究也将是了解红矮星世界中卫星形成可能性的重要数据点。 对著名的 TRAPPIST-1 红矮星系统的早期分析已经降低了这种期望，该系统包含七颗地球大小的行星。 通过分析现有 JWST 关于其中一颗行星 TRAPPIST-1h 的数据，“我们可以排除绕该行星运行的卫星，该卫星比地球的卫星还大，”帕斯说。
当然，TRAPPIST-1 是每个 JWST 周期都具有巨大科学意义的系统。 对先前周期收集的数据进行的持续研究正在确定该恒星名义上的宜居带中的某些行星是否真的拥有大气层——从而有可能在其表面存在液态水。 从那里，未来的工作可能会使用 JWST 来搜寻 TRAPPIST-1 中任何有希望的行星，以寻找生命迹象。 约翰·霍普金斯大学的娜塔莉·艾伦将领导一个周期 3 的项目，研究 TRAPPIST-1 e，这是宜居带行星之一，以寻找大气层迹象。 过去的努力一直受到行星动荡不安的宿主恒星的阻碍，该恒星不断喷发出强大的耀斑，很容易扰乱观测。 因此，艾伦和她的同事将观察 1 e 凌日恒星的时刻，同时最内层的行星 1 b 也凌日恒星，已知 1 b 没有大气层。 “它是一块裸露的岩石，”她说。 通过同时观察这些双重重叠的凌日，减去恒星的活动，并辨别 1 e 上是否存在大气层应该会变得更容易。 事实上，灵敏度的提高甚至可能使 JWST 能够嗅探出该世界的一些化学成分。 “我们应该能够获得大气的光谱成分，”艾伦说：这是识别任何生命前景的关键一步，其中涉及将行星的光解析为彩虹般的多波长或颜色光谱。
正如预期的那样，JWST 在周期 3 中的大部分重点将放在星系研究上。 在周期 3 中授予的大约 5,500 小时的观测时间中，大约三分之一用于星系，系外行星紧随其后，其他天文学领域，例如太阳系物体的研究，占据了剩余的时间。 JWST 已经颠覆了我们对宇宙中最早星系的认识； 它一次又一次地打破了已知最遥远星系的记录——目前的记录保持在 138 亿年前宇宙大爆炸后仅仅3.2 亿年。
罗切斯特理工学院的杰伊汉·卡塔特佩将领导一项周期 3 的巡天，以显着增加已知高红移星系的數量——即宇宙早期那些星系，它们的星光因宇宙的膨胀而最大程度地拉伸到电磁频谱的红色端。 研究人员将通过采用一种新颖的技术来实现这一目标。 过去，JWST 通过简单的快速测光法找到了这样的星系，通过寻找它们在红色波长下的相对亮度； 然后可以使用更耗时的光谱学来跟进最佳候选者，以确定它们的真实距离和年龄。 卡塔特佩将不再继续这种繁琐的两步过程，而是将依靠一种可能更有效的方法，称为无缝光谱法，本质上是让望远镜的光谱能力一次测量图像中的每个物体。 她说，这可能会从宇宙历史的最初 7.5 亿年中获得大约 3,000 个高红移星系——这是一个巨大的增长。 “周期 1 和 2 真的是关于发现，”她说。 “现在的想法是，这一切意味着什么？”
麻省理工学院的罗汉·奈杜将在周期 3 中通过研究一些特别大且红色的星系来解决类似的主题，这些星系令人惊讶地出现在 JWST 对大爆炸后最初十亿年左右的观测中。 这些被称为“小红点”的星系似乎比理论家预期的这个时期的星系更亮、质量更大。 “我和我的合作者所主张的立场是，存在我们直到现在才真正看到的黑洞生长的隐藏阶段，”奈杜说。 他的计划将寻求一劳永逸地解决关于小红点的争论。 然而，并非奈杜的所有望远镜使用提案都获得了成功，许多其他天文学家完全错过了机会。 “这太残酷了，”他说。 “有太多优秀的提案没有通过。”
哈佛-史密森天体物理学中心的天文学家格兰特·特雷姆布莱是 JWST 望远镜分配委员会 (TAC) 的成员，该委员会由数百名科学家组成，受 STScI 委托，从如潮水般涌来的提案中挑选赢家和输家。 TAC 根据科学价值和各种其他因素，将每个提案评为一到五分。 但是，虽然有些提案显然会脱颖而出以供选择，但另一些处于较为模糊的中间地带的提案可能会看似偶然地被选中。 特雷姆布莱想知道是否有一种更好的方法来分配 JWST 真正宝贵的时间。 “排名 2.8 的提案和排名 2.9 的提案之间有什么区别？” 他说。 “我很想在广阔的中间地带尝试一个随机数生成器。”
在我们自己的太阳系中，加州理工学院的迈克·布朗将使用 JWST 来研究土星的冰卫星土卫二。 他将致力于研究从卫星两极喷发的水羽的起源。 人们认为这些羽流可能起源于卫星冰冷表面下的海洋，在这种情况下，它们可能会携带分子证据，证明该黑暗深渊中存在生命的可能性，宇宙飞船可以收集这些证据。 但它们也可能起源于冰壳本身内部，从而平息了对此类远程潜艇采样的激动人心的愿景。 布朗将用 JWST 观察羽流是否是恒定的。 如果是，那将指向冰壳的解释。 如果它们反而以爆发的形式喷发，那么它们更有可能起源于海洋，与上覆冰层的周期性弯曲和破裂同步。 “这应该非常明显，”布朗说。 “在发送任何东西之前，我们需要知道这个问题的答案。”
芝加哥大学的迈克尔·张将使用 JWST 研究一种奇特的行星类型，这种行星不是围绕普通恒星运行，而是围绕脉冲星运行，脉冲星是一种快速旋转的中子星，是爆炸性超新星留下的残骸。 他和他的同事将有史以来首次尝试研究这种行星的大气层，在这种情况下是一颗围绕脉冲星 PSR J2322-2650 运行的气态巨行星，距离地球约 750 光年。 张说，这个世界离它的宿主星非常近，以至于它的大气层“可能会逸出”并“吸积到脉冲星上”。 这可能解释了为什么像这样的脉冲星——一种所谓的毫秒脉冲星，每分钟旋转数千次——能够旋转如此之快。 “一种可能的答案是从行星吸积物质，”他说。
这并非 JWST 可能在周期 3 中解决的唯一宇宙谜团。 密歇根大学的埃琳娜·加洛将使用该望远镜研究一个遥远宇宙中的星系，该星系可能包含一个直接坍缩黑洞。 这些是爱因斯坦广义相对论假设的天体物理产物，其中宇宙最初 2.5 亿年的气体云不是坍缩形成恒星，而是直接坍缩成黑洞； 这样的物体可以作为随后超大质量黑洞形成的“种子”，这些超大质量黑洞是位于大型星系（包括我们自己的银河系）中心的约十亿个太阳质量的巨头。 加洛将观察的星系似乎孕育着一个与星系本身一样巨大的黑洞。 “一个如此快速变得如此巨大的黑洞是直接坍缩的明显[迹象]，”她说。
并非所有 JWST 周期 3 提案都将实际使用望远镜本身。 德克萨斯州西南研究所的丹娜·卡西姆将进行一项实验室实验，作为周期 3 的一部分，试图解决硫耗竭问题。 我们知道硫是生命至关重要的六种元素之一，但其宇宙起源有些神秘。 “我们自己的太阳系来自一个密集的星际云，”卡西姆说。 “我们不知道这些云中 99% 的硫在哪里——在气体中、冰中还是在矿物质中。” 如果不了解这些细节，科学家就无法准确追踪这种赋予生命的元素到达新生行星系统中胚胎世界的途径。 因此，卡西姆将向我们可能在这些云中看到的冰类似物发射电子，以了解形成了哪些含硫分子。 这可能会让我们掌握这个问题——并突显出，对于历史上最受追捧的望远镜来说，即使是太空也不是极限。
*编者注（3/8/24）：此句在发布后经过编辑，以更正选定的提案数量。