有史以来最先进的太空望远镜没有让人失望

黑王子

Jamess Webb太空望远镜对壮观的幻影星系的观测（图片来源：ESA / Webb，NASA&CSA，J. Lee和PHANGS-JWST团队）

美国宇航局对宇宙有了新的认识。

詹姆斯韦伯太空望远镜（韦伯或JWST）的发射和随后的操作是几十年来最令人兴奋的科学事件之一。但是，尽管第一年的运行只是望远镜的开始，但它已经为许多科学发现做出了贡献。

以下是韦伯的12项顶级科学突破。

1. JWST 被誉为 2022 年最伟大的科学突破

美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜在太空中完全展开的插图。（图片来源：NASA/Adriana Manrique Gutierrez）

当韦伯在 2021 年圣诞节发射时，它是 NASA 科学家和工程师数十年工作的结晶。发射顺利进行，在接下来的几个月里，望远镜部署的众多步骤也是如此。七月中旬，韦伯发布了令人惊叹的第一张图片。红外望远镜将帮助我们更详细地看到宇宙的几乎每个部分，包括最遥远的星系，让我们瞥见过去。

《科学》杂志的编辑在一份声明中写道：“在 [望远镜] 于 2022 年 6 月下旬上线的几天内，研究人员开始发现数千个比以前记录的任何星系都更遥远、更古老的新星系——其中一些可能比哈勃望远镜发现的最古老的星系早 1.5 亿年以上。该杂志将韦伯列为 2022 年的科学突破，而《自然》杂志则选择了韦伯的运营项目科学家简·里格比（Jane Rigby）列入他们的名单，其中包括 2022 年的“10 位帮助塑造科学故事的人”名单。

“更重要的是，望远镜能够从天体中收集足够的光线 - 从诞生的恒星到系外行星 - 揭示它们是由什么组成的以及它们如何在太空中移动，”《科学》杂志的编辑写道。“这些数据已经开始非常详细地揭示距离地球数百光年的行星的大气成分，为它们可能支持我们所知道的生命的能力提供了暗示。

2. 诞生于创造之柱的星星

詹姆斯韦伯太空望远镜对鹰状星云中“创造之柱”的看法。（图片来源：NASA，ESA，CSA，STScI）

鹰状星云中的创造之柱长期以来一直是哈勃太空望远镜最具标志性的图像之一。但是，尽管探测大部分可见光的望远镜捕捉到了该结构令人印象深刻的云层，但其中发生的“创造”却被隐藏了起来。现在，韦伯的红外成像已经成功地捕获了许多原恒星的形式。在柱子烟雾缭绕的背景下，这些尘埃和气体的集合看起来像小红点，每个都比我们的太阳系大很多倍，是恒星的诞生。

“我们在图像中看到的这些年轻恒星还没有燃烧氢气，”英国中央兰开夏大学自然科学学院院长德里克·沃德 - 汤普森在十月份告诉 媒体，“但渐渐地，随着越来越多的物质落入，中间变得越来越密集，然后突然间，它变得如此密集，以至于氢气燃烧打开，然后突然他们的温度跃升到大约200万摄氏度[350万华氏度]。”

该图像是使用不同的颜色创建的，以表示大部分不可见的红外波长，巴尔的摩太空望远镜科学研究所的研究天文学家Anton Koekemoer说，他使用韦伯的数据将图像放在一起。

图像中唯一可见的部分显示为蓝色 - 这些对我们来说是红色的。随着辐射波长的增加，颜色的波长也会增加，图像的红色部分，如原恒星，发出的辐射大约是人眼所能看到的波长的六倍。沃德-汤普森说，像这样的图像不仅显示了韦伯作为红外望远镜的能力，而且还可以帮助我们了解恒星是如何形成的，包括我们的太阳。

3. 韦伯首次直接拍摄系外行星

韦伯的第一张外星世界图像HIP 65426b显示在显示行星主星的更宽图像的底部。这些图像是在不同波长的红外光下拍摄的。（上图片：NASA / ESA / CSA，A Carter（UCSC），ERS 1386团队和A. Pagan（STScI）。

科学家在1990年代发现了第一颗系外行星，今天有超过3000个已知的世界围绕遥远的恒星运行。尽管如此，其中只有大约二十几个被直接成像。大多数系外行星都离得太远，只有当行星经过其主星前方时，它们只能通过它们所绕轨道的恒星的光线下降来探测到。但韦伯可以改变这一点。九月，它拍摄了第一张系外行星的直接图像。

“这是一个变革性的时刻，不仅对韦伯，而且对整个天文学来说。”领导这些观测的英国埃克塞特大学天文学家萨沙欣克利9月在一份声明中说。

这颗名为HIP 65426 b的行星于2017年被发现。为了观察它，科学家们使用了韦伯的两个相机，几个过滤器和望远镜的日冕仪，这些工具阻挡了中心恒星的光线。除了望远镜的非凡灵敏度外，这颗行星还具有几个使其更容易观测的特征。这颗行星从太阳到地球的距离是太阳距离的100倍，比太阳系中的任何行星都远得多（相比之下，冥王星距离太阳的距离只有太阳-地球距离的40倍）。它是一个巨大的气态巨行星，也非常大 - 大约是木星的12倍。

4. 重新成像幻影星系

詹姆斯·韦伯太空望远镜的NGC 628（“幻影星系”）图像在这张公民科学图像中显示了发光的尘埃。（图片来源：NASA/ESA/CSA/JUDY SCHMIDT）

虽然在夜空中很难找到幻影星系，但它的光彩远非看不见，尤其是用韦伯用红外线拍摄时。哈勃望远镜的星系光学图像，也称为M74，显示了星系完美的螺旋结构及其恒星分布，臂从辐射中心向外延伸。但是，新的韦伯图像揭示了发热尘埃和气体的纤维状结构，这些结构来自以生动的电蓝色呈现的明亮中心。新图像将（红外）照射到散布在星系旋臂中的恒星形成区域。

结合哈勃太空望远镜和韦伯图像的令人着迷的合成图像具有银河系的光学和红外观测的各个方面。据欧空局称，欧洲航天局（ESA）的研究人员帮助创建了合成图像，作为一个名为PHANGS的国际项目的一部分，该项目正在利用韦伯，哈勃和几个地面望远镜在红外线中捕获附近的19个恒星形成星系。欧空局在八月份发布了一段视频，展示了这三张照片，并将它们并排比较。

“在更长波长上增加清晰的韦伯观测将使天文学家能够精确定位星系中的恒星形成区域，准确测量星团的质量和年龄，并深入了解星际空间中漂移的小粒尘埃的性质。”欧空局说。

5. 神秘的四四方方的涟漪环绕着沃尔夫-拉叶星

詹姆斯韦伯太空望远镜的WR140图像显示了围绕一对大质量恒星的同心环。（图片来源：NASA，ESA，CSA，STScI，JPL-Caltech）

七月，韦伯拍摄了一张遥远恒星的图像，称为沃尔夫-拉叶星，其中有韦伯标志性的衍射图案，这是一种成像伪影。但是在这颗被称为WR140的恒星周围，有一个看起来同样不真实的图案——一种类似波纹的同心环图案，形状奇特的、略带方四方方的形状。与衍射图不同，不太可能形状的环是真实的特征。

“六角蓝色结构是一种伪影，因为在这张#JWST的MIRI图像中来自明亮恒星WR140的光学衍射。”詹姆斯韦伯太空望远镜科学工作组的跨学科科学家Mark McCaughrean写道，也是ESA的科学顾问。“但是红色弯曲但四四方方的东西是真实的，WR140周围的一系列炮弹。实际上在太空中。围绕着一颗星星。”

沃尔夫-拉叶星是接近生命尽头的大质量恒星，已经将大部分氢释放到太空中。这些奇形怪状的环是由WR140与其较小的伴星之间的相互作用引起的。这些恒星被一团尘埃包围，尘埃云被它的伴星雕刻成这种形状，McCaughrean说。亚利桑那州NOIRlab的天文学家Ryan Lau领导团队研究这些观测结果，作为JWST早期发布科学计划的一部分。十月份，该团队在《自然天文学》杂志上发表了一项关于观测结果的研究。

6. 寻找有史以来最遥远的星系

詹姆斯韦伯太空望远镜高级深河外调查（JADES）研究的天空区域。（图片来源：NASA，ESA，CSA和M. Zamani（ESA / Webb）。）

韦伯被要求观察宇宙中最遥远的星系，在十二月中，科学家们证实他们已经做到了这一点。该望远镜已经正式观测到已知最遥远的四个星系，这也意味着它们是最古老的星系。韦伯观察了大约134亿年前出现的星系，当时宇宙只有3.5亿年的历史，大约是目前年龄的2%。

科学家们怀疑这四个星系非常古老，就像韦伯发现的数百个其他星系一样。作为JWST高级深度河外调查（JADES）的一部分，研究人员确认了他们的年龄，分析了望远镜近红外光谱仪的数据，以了解星系远离望远镜的速度。这是星系的红移 - 随着宇宙的膨胀，它们发出的光波长延长了多少。他们的红移为13.2，是有史以来最高的。

“这些[星系]远远超出了我们在JWST之前所能想象的发现，”加州大学圣克鲁斯分校的天体物理学家布兰特罗伯逊和参与观测的研究人员之一在一份声明中说，“有了JWST，我们现在第一次可以找到如此遥远的星系，然后通过光谱确认它们真的那么远。

7. 详细观察系外行星的大气层

艺术家对系外行星WASP-39b的描绘。（图片来源：NASA，ESA，CSA，Joseph Olmsted（STScI））

多亏了韦伯，在室女座中围绕恒星运行的行星现在是太阳系外探索最多的世界。这颗行星被称为WASP-39b，距离地球约700光年。它是一颗与土星大小相当的沸腾气态巨行星，以离谱的近距离绕其主星运行，距离主星大约是水星离我们太阳近八倍。

利用韦伯的主相机和两个光谱仪，科学家们在其大气中发现了二氧化碳 - 这是第一次在系外行星的大气中发现这种气体，尽管这颗行星的厚厚的大气层主要是含有硫和硅酸盐的厚云，包括二氧化硫。研究人员还能够利用他们对行星大气层的了解来推断其历史和形成的各个方面。科学家认为这颗行星是由较小的微行星碰撞形成的，并且因为它在大气中的氧气比碳多，所以比现在离恒星更远。

“这些早期观测预示着JWST将带来更多惊人的科学，”参与观测的德国马克斯普朗克天文学研究所（MPIA）主任Laura Kreidberg在一份声明中说。“我们让望远镜测试性能，它几乎完美无瑕 - 甚至比我们希望的还要好。

8.瞥见泰坦的云

左边是詹姆斯韦伯太空望远镜，2022 年 11 月 4 日，对土卫六的观测;右边是两天后凯克天文台的景色。（图片来源：NASA，ESA，CSA，Webb Titan GTO团队/ Alyssa Pagan（STScI））

土星的卫星泰坦是一个奇怪而有趣的地方。月球有由水冰构成的“岩石”，以及由液态甲烷和乙烷构成的河流、湖泊和海洋。它也是我们太阳系中唯一拥有厚大气层的卫星 - 一个朦胧的大气层，点缀着甲烷云。科学家们在十一月瞥见了其中一些云，当时韦伯从奇怪的卫星上捕获了大气数据。

在美国宇航局的一份声明中，与韦伯一起研究泰坦的研究人员表达了他们对收到数据的兴奋。“乍一看，这简直是非同寻常的，”巴黎城大学的天文学家、该研究的同事塞巴斯蒂安·罗德里格斯（Sebastien Rodriguez）在声明中分享的一封电子邮件中写道，“我想我们看到的是一片云！”

他们最终发现，望远镜捕捉到的不是一个而是两个云，其中一个在月球最大的海洋Kraken Mare上空。该团队非常感兴趣，他们联系了夏威夷的凯克天文台，该天文台在两天后就能够观测到土卫六。在凯克观测中，Kraken Mare上空的同一位置有一朵云，尽管它的形状不同，表明云要么发生了变化，要么另一朵云移动到了同一位置。该团队希望这样的数据将帮助他们绘制土卫六的雾霾图，并在月球大气层中发现新的气体。

9.南环星云的秘密

南环星云的NIRCam图像揭示了环形云中的同心涟漪。（图片来源：NASA/ESA/CSA/STScI）

科学家们一直认为南环星云相当不起眼。人们认为星云只是一颗垂死的恒星，称为白矮星，它已经排出了它的外层，当白矮星辐射能量波时，外层会发出明亮的光芒。科学家们还知道，另一颗未死亡的恒星，是双星系统的一部分，在很大程度上被遮蔽在明亮的气体之下。但韦伯的星云惊人图像，作为其第一批图像和数据的一部分发布，清楚地表明它并不那么简单。

韦伯用它的两台仪器，近红外相机（NIRCam）和中红外仪器（MIRI）对云进行了成像。通过MIRI，研究人员发现白矮星并不是隐形的，正如他们所期望的那样，而是发出红色的光芒，周围是一团冷气体。气体从何而来？

唯一合乎逻辑的解释似乎是，星云隐藏了第三颗恒星，这是气体的来源。望远镜的主相机还捕捉到了星云边缘周围有趣的壳体，有点像WR140周围的壳体。他们认为第三颗恒星，介于两颗已知恒星之间，可能造成了类似涟漪的外壳。

“我们认为我们看到的所有气体和尘埃（在南环星云中）一定来自那颗恒星，但它被伴星抛向非常特定的方向。”该研究的共同作者之一 纽约罗切斯特理工学院的天文学家乔尔·卡斯特纳（Joel Kastner）在一份声明中说。

10. 韦伯发现有沙云的褐矮星

硅酸盐可以在一些褐矮星物体中形成，包括本图中的两个中间示例。这里显示的褐矮星从最热（左）到最冷（右）不等，表明沙质条件发生在中位温度条件下。（图片来源：NASA/JPL-Caltech）

虽然许多望远镜已经确定了系外行星，但韦伯并不是为了识别而来的。但是发现了它所做的一个 - 这是一个非常奇怪的。首先，VHS 1256 b根本不是一颗行星。它是一颗褐矮星——比行星还大，但太小了，不能成为一颗真正的恒星。这个发出暗淡的红色光芒，这是在非常大但太小而无法融合氢的物体上发生的修饰聚变形式的产物。更奇怪的是，韦伯观察到褐矮星有沙质的硅酸盐云- 这是这种物体的第一次。系外行星对于褐矮星来说也很小，因此很年轻。

与WASP-39b一样，韦伯能够识别褐矮星奇怪大气中的单个化学物质，如水，甲烷，二氧化碳和钾等。不同化合物的比例表明该物体具有湍流大气层。研究在一项研究中检查了大气（在新选项卡中打开），尚未在期刊上发表。

“在平静的大气中，甲烷和一氧化碳的预期比例，”英国埃克塞特大学的天文学家，该研究的共同作者之一Sasha Hinkley告诉媒体，“但是在许多系外行星大气中，我们发现这个比例非常偏斜，这表明这些大气中存在湍流垂直混合，从深处疏通二氧化碳，与大气中更高的甲烷混合。”

11.一个不那么万里无云的星球

对詹姆斯韦伯太空望远镜数据的分析确定了热系外行星WASP-96 b大气中存在的化学物质。（图片来源：NASA/ESA/CSA 和 STScI）

作为韦伯首次发布图像和数据的一部分，美国宇航局发布了望远镜的第一个系外行星大气光谱，来自一个名为WASP-96b的行星。韦伯的光谱仪分析了行星恒星在穿过行星大气层时过滤的光，获得了光谱，一种被行星大气吸收的光波长的“条形码”。

光谱检测到地球上朦胧的天空，云层和水蒸气的迹象。这很奇怪，考虑到科学家以前认为这颗行星根本没有云。这颗行星的大气层具有强烈的钠特征，研究人员直到最近才认为这意味着它拥有独特的，完全无云的天空。结果是如此矛盾，以至于科学家们正在重新分析韦伯和以前的数据，试图弄清楚如何调和看似相反的结论。

遥远星球上的水迹象几乎肯定不表明它可能有生命。这颗行星是一颗“热木星” - 一个气体巨行星，质量只有我们太阳系最大行星的一半，但略大，它非常靠近它的主星，每3.4天绕行一次。表面温度？超过温暖的 1，800 华氏度（1，000 摄氏度）。

12. 星系碰撞时隐藏的恒星形成

詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的一对合并星系IC 1623。（图片来源：ESA / Webb，NASA&CSA，L. Armus & A. Evans）

韦伯作为红外望远镜的优势之一是它能够穿透尘埃，揭示像哈勃望远镜这样隐藏的东西，这些望远镜主要使用可见光。当韦伯拍摄到两个星系碰撞的图像时，它看到了哈勃错过的东西 - 一个强烈的恒星形成区域，科学家说它产生恒星的速度比我们自己的星系快20倍。

在新图像中，合并的星系，称为IC 1623，包含一个恒星形成区域，红外辐射如此明亮，以至于它产生了韦伯典型的尖星衍射图案，这通常是它观察明亮恒星的结果。该区域构成了图像的全新层，隐藏在厚厚的灰尘层后面。新观测结果在《天体物理学杂志》上发表的一项研究中进行了描述。

科学家认为，距离地球约2.7亿光年的星系的合并也可能产生一个超大质量黑洞，这在韦伯图像中是不可见的。