詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）向世人献上了第一批5张高分辨率全彩科学图像

编者按

随着昨晚韦伯望远镜发布首批5张照片，有关投资100亿美金值不值的争论已经变得不太重要，人们的目光这次聚焦到了更为古老和久远的宇宙深处......

撰文 | 程亦之

责编 | 邸利会
 

有史以来最强大、最昂贵的太空望远镜终于开花结果，詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）向世人献上了第一批5张高分辨率全彩科学图像。

宇宙深空场

图1 美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜提供了迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。韦伯的第一个深场是星系团 SMACS 0723，它充满了数千个星系——包括在红外线中观察到的最微弱的物体 | 图源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

美国东部时间7月11日傍晚，NASA最先发布的是韦伯版宇宙深空场，相比于哈勃版宇宙深空场更清晰、更深远。按照官方说法，这是迄今宇宙最深、最清晰的红外图像。

在这张图像中数百个白色、黄色、橘色和红色的光点、条纹、螺旋和漩涡，都只是宇宙的一小部分，这些星光早在130亿年前发出，如今被韦伯望远镜捕捉到。

宇宙大爆炸是在138亿年前发生的。换句话说，这张图像里的星系几乎回溯到宇宙诞生的早期，是人类目前为止对宇宙最古老的记录。
之所以韦伯望远镜能够看得如此遥远与古老，有赖于照片主角——一个巨型星系团，天文编号SMACS 0723，位于南半球天区飞鱼座，距离我们仅有46亿光年，相对于整个可观测宇宙直径930亿光年来说，并不算远。

由于这个星系团质量巨大，引力足以造成星光路径的弯曲，产生了引力透镜效应（Gravitational Lensing），将更遥远星体的光放大，这相当于天文望远镜的变焦镜头，从而让韦伯望远镜得以捕捉到130亿年前，更遥远星系所发出的光芒。

负责寻找此类古老星系的NASA天文学家凯西（Caitlin Casey）解释称，观测和拍摄所运用的深空场（Deep Field）技术，就是将望远镜对准同一片天空，透过上百小时、数百次的曝光叠加，由此拍下遥远天体的微弱光芒，从而将这张绚烂多彩的宇宙深空场呈现在世人眼前。

之前的哈勃太空望远镜就是透过这种方式拍下深空场照片，辨识出许多人类未曾见过的星系，如今韦伯望远镜凭借更强大的红外探测和极高的分辨率，能够在哈勃望远镜辨识出1万个星系的天区，观测到100万个星系。这张韦伯深空场总计曝光时间12.5小时，比哈勃望远镜数周的曝光时间，大为缩短，但拍得更多更清晰。

负责韦伯望远镜观测任务的天文学家简·里格比（Jane Rigby）表示，建造韦伯望远镜的核心目标，就是寻找大爆炸之后形成的第一代星系，而这张观测照片在视觉与科学上都展现了令人瞠目结舌的美丽与力量，不久的将来有望探知更多更早期的初代星系。

除了寻找古老星系外，韦伯还有另一项任务，就是探测太阳系外行星以及恒星演化过程， 一窥恒星诞生与死亡。

在发布第一张照片后，美国东部时间7月12日上午，NASA又一连串发布了4张韦伯杰作：船底座星云、南环星云、系外行星WASP-96b、斯蒂芬五重奏星系。

奇美的恒星幼儿园

船底座星云（Carina Nebula）：船底座星云是哈勃望远镜拍下的一个经典目标，不过，透过韦伯望远镜让我们领略到另一个版本的星云照。

船底座星云堪称天空中最大、最亮的星云之一，距离我们大约7600光年。它由巨大的气体云和尘埃云构成，新一代的恒星正在孕育形成。也就是说，这里是恒星的摇篮。

由于这些恒星幼儿园，往往被浓密的气体与尘埃所包围，当天文学家使用可见光观测时，往往只能看到黑压压一片，难以窥探在云气神秘的核心之中，恒星究竟是怎么演化的。这时最擅长红外观测的韦伯优势再次展现。由于波长较长，红外线比可见光和紫外线，更能够穿过层层的星际云气而不被吸收，因此可以帮助天文学家直击初生恒星的核心区域。

图2 NGC 3324于1826年由 James Dunlop 首次编目。从南半球可见，它位于船底座星云 (NGC 3372) 的西北角，该星云位于船底座 | 图源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

透过这张韦伯版的船底座星云，我们不仅看到了正在形成中的恒星，也会被奇美的气体云和尘埃所吸引。天文学家称之为 “宇宙礁” 或 “宇宙悬崖”，这是一种由下半部尘埃和上半部气体形成的明显分界线。韦伯望远镜的主要科学目标之一就是研究恒星是如何形成的，而船底座星云无疑是一个绝佳的研究目标。

尽管数十年来，天文学家对于恒星的类型、内部结构、演化历程都有了相当详细的了解，然而，星际间弥漫的云气究竟是如何聚集成一颗颗的恒星及其周围的行星系统，却还有很多不清楚的地方。强大无比的韦伯望远镜有望让人类看清这一切。

一睹五十亿年后的太阳残影

南环星云（Southern Ring），又称八字星云（Eight-Burst Nebula），属于行星状星云（围绕一颗垂死恒星的膨胀气体云），直径接近半光年，距离我们约2000光年。

星云围绕一颗与我们太阳很相似的恒星，由于外层气壳发出的辉光，而赢得八字星云、南环状星云的称号。

透过韦伯拍下的近红外、中红外光谱图像，让我们有幸一睹行星状星云更清晰的结构肌理，五十亿年后的太阳残影。韦伯就像一部宇宙摄影机，追踪恒星的一生，记录下其如何诞生，又如何消亡。
图3 韦伯上的两台相机拍摄了这个行星状星云的最新图像，编号为NGC3132，非正式地称为南环星云。它距离我们大约2,500光年 | 图源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

一眼看透系外行星

很遗憾这不是惊艳的宇宙神图，而是一张红外光谱图，属于一颗编号为WASP-96b系外行星的大气光谱分析图。

韦伯望远镜另一项使命就是透过大气光谱研究系外行星，从而告诉我们一些关键信息，比如这颗系外行星由什么构成的，移动速度有多快，温度有多高等等。
图4 近红外成像仪和无狭缝光谱仪的这项观测表明，韦伯有能力详细描述系外行星的大气层——包括可能适合居住的行星的大气层 | 图源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

韦伯望远镜能够以惊人的精确度识别大气中的分子。透过这张图，我们可以看到清晰的水蒸气标记，WASP-96b并不适合孕育生命，因为其离母星太近，温度太高。

这颗气态巨行星貌似木星，但质量大约只有木星的一半，距离地球近1150光年，每3.4天绕母恒星公转一次。

韦伯望远镜能够让天文学家对系外行星的认识，不再只有多大、多重、多远这些浅显的描述，而是能够知道大气的组成、温度与垂直结构，以及随着季节、轨道半径等其他因素的变化，进而深入了解这些外星世界，甚至是寻找生命可能存在的迹象。

2.9亿光年外的宇宙群舞

图5 斯蒂芬五重奏位于飞马座，由法国天文学家爱德华·斯蒂芬于1877年发现 | 图源：NASA, ESA, CSA, and STScI

斯蒂芬五重奏星系（Stephan’s Quintet）位于飞马座，距我们大约2.9亿光年之遥，它是有史以来发现的第一个致密星系群，早在1877年由法国天文学家E·斯蒂芬发现。这幅大片是韦伯目前为止拍下的最大图像，超过1.5亿像素，由近1000个独立图像文件构成。五个星系中的四个被锁定在一起，形成亲密接触的宇宙群舞。有朝一日终将融为一体，这是研究星系合并与相互作用的绝佳第一手资料。

透过这张宇宙群舞照片，还会帮助科学家了解超大质量黑洞进食状态以及生长速度。韦伯望远镜还能更直接地观察恒星形成区域，并能检测尘埃喷发——这是在此之前无法获得的珍贵细节。

从哈勃到韦伯，一代更比一代强

作为哈勃太空望远镜、斯皮策太空望远镜的继任者，韦伯后浪推前浪。

首先，它硬件很硬，其口径达6.5米，而哈勃望远镜只有2.4米。聚光面积高达25平方米，而哈勃只有4.3平方米。韦伯主镜面积是哈勃太空望远镜的5倍以上。

哈勃最大极限可以看到宇宙大爆炸后4.8亿年的景象，而韦伯至少能够观测到宇宙诞生2亿年时的景象。韦伯能看到更遥远更古老的宇宙，有望探测宇宙早期模样，发现宇宙大爆炸后形成的第一批恒星、星系。

此外，韦伯的主镜强大无比。

它的18块六角形反射镜，由稀有金属铍制成，表面涂有一层薄薄黄金，每个镜面的抛光误差均不超过10纳米。更先进的地方，其每块镜片背部都装有7个马达，能在10纳米的精度内调整镜片的形状和方向。

韦伯的主体不呈筒状，而是在主镜下展开座席状的遮光板。这意味着，聚光部分和镜面部分全都裸露在外，观测范围非常宽阔。

韦伯代表着21世纪第二个十年的最高科技水准，哈勃太空望远镜则代表20世纪80年代的水平，可想而知两者的差距。

单从红外波段上的观测能力衡量，韦伯望远镜要比哈勃望远镜强大16倍，综合观测能力提升100倍。不过，它俩并不是竞争关系，只会互通有无、携手合作，共同探索未知的宇宙。

如果哈勃太空望远镜最长持续工作到2040年，韦伯太空望远镜至少科学观测20年，乐观估计他俩会有20年的联袂黄金时段。

回看哈勃望远镜30多年来，带给我们一个个惊喜，不难预见，未来韦伯望远镜还会赐给人类别样的宇宙礼物。

一个充满惊喜的黄金年代正在扑面而来。花了100亿美金造这台神器，值得！

参考文献：

1. James Webb: Nasa space telescope delivers spectacular pictures By Jonathan Amos

2. NASA’s Webb Sheds Light on Galaxy Evolution, Black Holes By Rob Garner

3. Webb telescope peers deeper into the universe than ever before By Stephen Clark

4. 浅谈 JWST 的科学意义：探索宇宙深处与尘埃后的外星世界！林彦兴著

5. 最棒的圣诞礼：最强最贵最难产的太空望远镜，终于开启发现之旅 三体引力波著