世界最强大的太空望远镜应该指向哪里？ 这不是一个容易回答的问题。 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 于 2021 年 12 月发射升空，自 2022 年 7 月开始传回首批科学数据以来，一直令天文学家惊叹不已。 它已经看到了令人叹为观止的、接近时间开端的星系，以前所未有的细节探测了系外行星的大气层，并提供了我们太阳系中世界令人惊叹的新景象。 但这仅仅是个开始。 上周 5 月 10 日，天文学家得知了他们为望远镜第二个科学年提交的提案是否 获得成功。 竞争非常激烈，虽然有很多获胜者和一些令人难以置信的科学研究即将展开，但更多的人错过了 JWST 的“周期 2”，该周期将于下个月开始。 运行 JWST 的马里兰州空间望远镜科学研究所 (STScI) 的临时主管南希·列文森说：“科学界做出了非凡的反应。”
总共有约 1,600 份提案提交给 STScI，申请使用美国宇航局主导的 JWST 的观测时间。 但只有 249 份被选中——这意味着 JWST 的“超额认购”接近 7 比 1，与哈勃太空望远镜的情况类似。 为了最大限度地减少偏见的可能性，JWST 项目的选择过程是完全匿名的，来自多个子领域的数百名天文学家参与了决策过程。 话虽如此，但还是有明显的赢家和输家。 一些天文学家，例如英国曼彻斯特大学的内森·亚当斯，提出了多项提案，但都被拒绝了。 亚当斯说：“我们有四项提案，但都没有获得时间。 “显然我们有点失望。” 其他人，例如德克萨斯州 A&M 大学的玛丽·安妮·林巴赫，则更加成功。 林巴赫有三项提案获得批准。 她说：“我们对我们获得的时间感到兴奋。”
林巴赫的提案 专注于白矮星，这是像我们的太阳这样的恒星膨胀成红巨星并喷射出外层后留下的地球大小的残骸核心。 在这个戏剧性的事件之后，人们认为这些恒星尸体仍然可以容纳完整的行星——这可能为我们提供研究它们的机会，并更多地了解地球在 50 亿年后太阳进入红巨星阶段时可能遭受的命运。 林巴赫将尝试确认两颗疑似的白矮星世界，但也会在天空的其他地方寻找多达六颗白矮星。 她说：“JWST 可以看到任何这些附近的白矮星是否比它们应有的亮度更亮。 “如果它们确实更亮，那可能表明那里有一颗行星。 JWST 真的是唯一能够确认它们的观测站。”
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JWST 的周期 1 的一个主要领域（约有 1,200 份提案）是寻找宇宙中已知的最早星系，这些星系形成于大爆炸后仅几亿年。 周期 2 也是如此，星系和系外行星都获得了最多的望远镜时间。 哈佛大学的丹尼尔·艾森斯坦的一份已获批准的提案希望将 JWST 推向极限，通过寻找可能远至大爆炸后仅 2 亿年的星系。 遥远星系的距离以红移来衡量——即我们从星系看到的光被宇宙膨胀转移到光谱红色端的程度。 艾森斯坦将寻找红移超过 15 的星系，比迄今为止明确看到的任何星系都更远。 他说：“我们还没有一个令人信服的红移超过 15 的星系案例。 “能够继续第一年开始的搜索，真是令人兴奋。”
麻省理工学院的罗汉·奈杜也将搜索遥远的宇宙，但不是为了寻找那些最高红移的星系。 相反，他的项目（他与苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH Zurich) 的约里特·马蒂共同领导）将利用一个名为阿贝尔 2744 的巨型星系团来引力放大一些较小天体的光，这些天体在大爆炸后最多 7.5 亿年。 目标是寻找原始气体团，其中可能包含第三星族恒星团——据信是照亮宇宙的第一代恒星。 这些长期以来被理论化的天体尚未被直接观测到，但预计几乎完全由纯氢和氦组成——这应该使它们变得巨大，每个天体的重量都是太阳的数百倍。 奈杜说：“我们真的在将 JWST 推向极限。 “我们将找回一些非常有希望的区域，这些区域可能正在孕育这些星团。”
JWST 周期 1 的一个关键目标是 TRAPPIST-1 系统，这是一个由七个地球大小的世界组成的排列——其中一些可能适合居住——围绕着一颗距离地球约 40 光年的红矮星。 虽然周期 1 中选择了三个 TRAPPIST-1 项目，但是，这次只选择了一个，由比利时列日大学的米歇尔·吉隆领导。 他将寻找 TRAPPIST-1b 和 c 的大气层，这是该系统中最内侧的两颗行星。 对 TRAPPIST-1b 的早期研究表明，它没有大气层，但吉隆说他的技术——测量行星白天和黑夜侧之间的温差——将确切地告诉我们答案。 这可能对 TRAPPIST-1 的其他更温和的世界产生重要影响，这些世界可能可以支持生命。 他说：“如果我们能够证明这两颗行星中的一颗有大气层，我们将能够很好地要求 JWST 开展一项雄心勃勃的项目，以深入研究其他行星。”
在离我们更近的地方，德克萨斯州西南研究院 (SWRI) 的克里斯托弗·格莱恩将使用 JWST 探测土星的卫星土卫二，它可能在其冰冷表面下蕴藏着可居住的海洋。 美国宇航局的卡西尼号宇宙飞船于 2004 年至 2017 年绕土星运行，其观测结果表明，这颗卫星偶尔会通过其南极的羽流从这个海洋中喷射出水。 虽然目前没有宇宙飞船绕土星运行，但 JWST 是次佳选择。 令人难以置信的是，它将能够在土卫二表面“寻找海洋化学的证据”，格莱恩说。 它甚至会对某些物质（如氨和各种有机分子）敏感，这些物质可以告诉科学家关于这颗卫星隐藏海洋的宜居性。 2040 年，土卫二的南极将进入漫长的冬季黑暗期，该黑暗期将持续到 2055 年，这使得未来在那里着陆以寻找生命变得困难。 然而，格莱恩希望通过 JWST 表明，这颗卫星的极地羽流正在整个表面沉积冷冻的海水喷雾，甚至可能一直到达阳光照射的赤道，在那里着陆可能更可行。 他说：“JWST 可以充当卡西尼时代和土卫二着陆器之间的桥梁。”
并非所有研究领域都如此幸运。 哥伦比亚大学的大卫·基平提交了两份提案，使用 JWST 寻找绕系外行星运行的卫星，称为系外卫星。 基平说，JWST “是人类有史以来建造的第一台真正有能力进行这项实验的机器”。 但这两项提案都被拒绝了。 “我们当然很失望，”他说。 “我们真的觉得这是一个板上钉钉的论点。”
基平说，JWST 应该能够找到小到木卫二大小的系外卫星，但即使不能，结果“也会非常深刻”。 未能发现预期的系外卫星群“将意味着我们在太阳系中使用的模型并非普遍适用”，他说，并且可能暗示我们当地丰富的月球卫星是一种与宇宙常态的奇怪偏差。 时间至关重要，考虑到 JWST 是现在或可预见的未来唯一可以寻找系外卫星的望远镜。 基平指出：“JWST 可能会持续十年，甚至更长时间。 “如果我们从未使用它来寻找系外卫星，我们真的会后悔的。 那将太可惜了。”
列文森知道，有些项目未被选中会感到失望。 她说：“有很多很棒的想法，我们无法在本周期内观察到。 对于那些错失机会的人来说，再次尝试并申请周期 3 的截止日期是 10 月。 基平说：“我们必须不断尝试。 “JWST 不会永远在那里。” 对于那些幸运地入选的人来说，将会有丰富的科学收获。 列文森说：“JWST 非常适合进行各种科学研究。 “我们肯定还没有完成。”