当您想到美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的成果时，图像，例如星云中漩涡状的彩色云彩，比我们以往见过的更古老的星系，以及正在诞生的幼年恒星可能会浮现在脑海中。在太空中的第一年，美国宇航局新型强大望远镜的成果已荣登《大众科学》杂志封面、时代广场的广告牌，以及天文爱好者和普通读者的电脑屏幕。包括美国总统在内的世界各地的观众都惊叹于这台神奇机器所看到的宇宙景象。
然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜最令人难以置信的成果之一却在很大程度上被忽视和低估了。您可能错过了它，甚至将这张图像视为一个单调的点——远不如卡丽娜星云等壮丽景象。
这张图像显示了詹姆斯·韦伯太空望远镜在不同波段的红外光下看到的系外行星 HIP 65426 b。底部的图像看起来不同，因为不同的韦伯仪器捕获光线的方式不同。日冕仪阻挡了宿主恒星的光线，因此可以看到行星。图片来源：NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), ERS 1386 团队和 A. Pagan (STScI)
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我相信迄今为止最令人兴奋的詹姆斯·韦伯太空望远镜成果就是那个点——望远镜的第一张系外行星图像，一颗围绕另一颗恒星运行的行星。
当然，作为一名研究重点恰好是这个主题的天文学家，我可能有点偏见。但请听我说；当我看到第一张图像时，我真的在电脑前欢呼雀跃。
那些小而块状的斑点是来自一颗真实行星的光，它几乎是木星的 10 倍大，距离地球近 400 光年，被称为 HIP 65426 b。它围绕一颗比我们的太阳大得多的恒星运行，而且非常年轻——事实上，它仍然因其形成的原始热量而温暖，在红外光中发出明亮的光芒。这些红外光子直接从另一个世界传播到詹姆斯·韦伯太空望远镜宏伟的金色蜂巢镜，形成了我们看到的图像。它们不仅仅是简单的点。
人类竟然设法直接观察到另一颗行星，这真是令人难以置信——这项任务被比作从数百英里外拍摄城市灯火中嗡嗡作响的萤火虫。与它们所环绕的明亮恒星相比，行星极其微弱，因此为了观察它们，我们必须筛选星光，以揭示下面的行星。天文学家通过使用一种称为日冕仪的装置来过滤星光来解决这个问题，日冕仪会阻挡恒星明亮的中心区域，并通过自适应光学技术保持图像稳定和清晰。
第一颗直接成像的行星是2M1207b，一颗比木星大五倍的气态巨行星，于 2004 年由智利沙漠高处的一架望远镜发现。大约 10 年后，迄今为止最小的直接成像行星被发现：51 Eridani b，只有木星的两倍大。直接成像目前仅限于此类较大的行星。虽然像开普勒和苔丝这样的望远镜通过寻找称为凌星的星光中的小幅度下降来发现行星
，已经发现了数千颗系外行星，但直接成像的总数徘徊在区区 50 颗左右。
考虑到难度，为什么直接成像具有吸引力？因为系外行星的轨道通过直接成像得到了完美的展示，首先是这样。无需像许多其他探测技术那样解开复杂的次要信号——相反，您可以简单地观看行星的运动，就像 HR 8799 系统（我们太阳系外围的放大版本） 中的行星一样。
更重要的是，直接成像通过光谱为系外行星的大气层提供了一个独特的窗口。光谱是天文学家探索宇宙最珍贵的工具，因为它们提供了有关天体的化学成分、温度、磁场等等的信息。光谱只是将来自物体的光线分散成整个彩虹——通常，彩虹的某些部分会缺失。这些都是线索。当原子吸收光线时，它们会产生特定于所吸收元素的谱线，从而为每种化学物质创建独特的指纹。系外行星光谱揭示了行星大气层中正在发生的事情，甚至包括可能的生命迹象。
詹姆斯·韦伯太空望远镜去年秋天发布的第一张系外行星图像之后，又在 3 月发布了第一张系外行星的直接光谱，被描述为“迄今为止行星质量物体的最高保真度光谱”。虽然这颗系外行星 VHS 1256b 远非宜居——它是一个饱受折磨的世界，充满了炎热的沙尘暴——但其精美的光谱证明了我们现在可以为遥远的世界获取多少信息，远远超出了以往的能力。詹姆斯·韦伯太空望远镜具有独特的优势，它位于地球上方，远离地球令人讨厌的大气层；我们星球周围的空气会使图像模糊，并阻挡某些波长的光线，例如长波红外线，这对于直接表征系外行星非常有用。太空望远镜还可以解析行星光谱中的细节，比以前的地面直接成像仪器精细约 100 倍。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一颗直接成像行星和行星大小物体的第一张直接光谱都是直接成像（系外行星探测的弱势群体）向前迈出的巨大步伐，展示了它的前景。当我们寻找生命并朝着全面表征行星而不是仅仅识别它们的方向发展时，直接成像将推动新的发现。
虽然其他系外行星搜寻方法（例如凌星光谱学）可以检索光谱，但高对比度成像在穿透云层并获得原始细节的大气数据方面具有无与伦比的能力。这对于寻找生命迹象（生物特征）至关重要——这一目标非常重要，以至于美国国家科学院的一个主要委员会（称为天文学和天体物理学十年调查）最近将寻找宜居世界确定为整个天文学界的首要任务。
十年调查还规划了两个主要望远镜项目，高对比度成像是其关键能力：地面上的极大望远镜 (ELT)，以及大型紫外线、光学和红外太空望远镜。ELT 是下一代主要的地面望远镜，拥有直径约 30 米或更大的巨大反射镜，例如 三十米望远镜、巨型麦哲伦望远镜 和 欧洲极大望远镜。这些设施将比我们目前最大的光学望远镜（如夏威夷的凯克天文台，直径约为 10 米）有巨大的改进。
为了建造如此大的反射镜，工程师必须将单独的反射镜片组合成蜂巢形状，就像詹姆斯·韦伯太空望远镜著名的金色反射镜一样。这种复杂的装置比实体反射镜带来了更多的工程挑战，需要科学家以一丝不苟的精度对齐所有镜片。尽管我们在地面上使用这项技术已经有了多年的实践经验，但詹姆斯·韦伯太空望远镜是我们对太空分段反射镜的首次重大测试，它的表现非常出色——这是未来这些大型天文台朝着正确方向迈出的一步。
美国宇航局也已经在为其下一个主要太空天文台宜居世界天文台 (HWO) 制定计划，希望它能在 2040 年代问世。ELT 和 HWO 的目标都是拍摄第一张类地系外行星的图像，并将以目前为詹姆斯·韦伯太空望远镜等天文台开发的直接成像技术为基础。现在使用詹姆斯·韦伯太空望远镜进行的观测对于系外行星科学来说也是重要的探路者，因为天文学家现在需要尽可能多地了解系外行星，以便为 HWO 选择最佳目标。
直接成像是系外行星探索的未来，并且很可能成为我们发现外星生命迹象的方式。来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的第一批直接成像行星是我们前方激动人心道路上的一个里程碑。虽然它们可能看起来像微不足道的点，但它们预示着我们最疯狂的科幻梦想的实现。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。