詹姆斯韦伯太空望远镜进入太空的第一年让天文学家大吃一惊

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）进入太空的第一年就让天文学家们大吃一惊，他们对JWST迄今为止所取得的成就感到“惊讶”和“震惊”。

，詹姆斯·韦伯太空望远镜就超出了所有人的预期，天文学家们为此激动不已。

这个耗资100亿美元的红外天文观测站于2021年12月25日发射，旨在了解星系的形成和演化，远眺宇宙第一代星系时代，从前所未有的细节观察在云雾状星胚中诞生的恒星，并探测系外行星的大气层以及描述一些最近的岩石世界。

然而，詹姆斯·韦伯太空望远镜(韦伯或JWST)的复杂性，包括其折叠式，分段的21英尺（6.5米）镜子和网球场大小的精致遮阳板，这意味着天文学家们对JWST是否能像预期的那样工作感到很紧张。

事实证明，他们并不需要担心。

“我想我们真的没有料到会有这么好的结果，”亚利桑那大学斯图尔德天文台的天文学家布伦达·弗莱告诉媒体。

图 1 詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年12月25日从法属圭亚那搭载阿丽亚娜5号火箭发射升空。

(图片来源:NASA/Bill Ingalls)

“这太神奇了”英国利物浦约翰摩尔大学的天体物理学家史蒂夫·朗莫尔告诉媒体。

“它的表现至少和我们预期的一样好，在很多情况下甚至更好。

”

如果它超过了自己的目标，它肯定也超过了它的前辈。

“这比我们以前看到的要好得多”，来自美国马里兰州空间望远镜科学研究所(STSCL)的JWST项目副科学家苏珊·穆拉利补充告诉媒体，这些图像很美，她被惊呆了。

海王星环

JWST表现如此出色的主要原因是其装备了顶级的光学器件，它能够在望远镜观测的大多数红外波长中实现其最大的潜在分辨率。

这一成功意味着JWST的图像具有哈勃太空望远镜和美国宇航局已经退役的斯皮策太空望远镜所无法达到的清晰度，或者地面上更大的望远镜，比如夏威夷凯克天文台的望远镜，因为它们的视野被地球大气层模糊了。

但有了JWST，那些靠得很近、曾经难以分辨的恒星现在可以被分辨出来了;非常遥远的星系结构现在可以被辨别出来;甚至附近的东西，比如海王星环，也以几十年来看到的最详细的内容弹出。

图 2 詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的海王星令人惊叹的景色，其星环清晰可见。

(图片来源:NASA/ESA/CSA/STScI)

“当JWST的海王星图像首次出现时，海蒂(哈默尔，JWST的跨学科科学家和太阳系外行星的专家)和我都看着它们，然后互相看着对方问“我们真的在看海王星吗?”马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的天文学家Naomi Rowe-Gurney（娜奥米-罗-格尼）告诉媒体。

虽然凯克天文台已经拍摄了海王星环的图像，但在JWST之前，最令我们印象深刻的图像来自于1989年旅行者2号的飞越。

“自从旅行者2号以来，海蒂就再没见过星环，我没见过这样的星环，因为旅行者号在我出生前就已经存在了!”罗-格尼说。

通常情况下，明亮物体的周围有微弱的细节或特征，例如很难在明亮物体的眩光下看到蓝色海王星周围的黑暗而脆弱的星环。

为了抵消这一点，仪器被要求具有“高动态范围”的特性，以同时接收暗淡和明亮的光。

罗-格尼说:“我们没有意识到JWST会有这么惊人的动态范围，能够看到非常微弱的东西，比如海王星环、小卫星和木星的星环。

”

外星大气层

JWST研究的不仅仅是太阳系的行星。

该望远镜的一个关键目标是使用一种称为透射光谱的技术来探测系外行星大气的组成。

当行星凌日时，恒星发出的光会穿透行星的大气层，但大气层中的原子和分子会阻挡某些特定波长的光，从而泄露大气的成分。

JWST发布的第一颗系外行星结果是WASP-39b的透射光谱，这是一颗“热木星”系外行星，围绕700光年远的一颗类太阳恒星运行。

JWST在WASP-39b的大气中检测到二氧化碳，这是第一次在系外行星上检测到这种气体。

其他气体包括一氧化碳、钾、钠、水蒸气和二氧化硫，最后一种气体只能通过光化学产生，当大气气体与来自行星恒星的紫外线反应时——首先是另一颗系外行星。

图 3 詹姆斯·韦伯太空望远镜对WASP-39b大气成分的分析。

(图片来源:NASA/ESA/CSA/J。

奥姆斯特德(STScI))

穆拉利说:“我一直对我们能够利用系外行星数据所做的事情感到惊讶，比如在WASP-39b的大气中发现的二氧化碳和光化学，这真的很酷，我不记得人们提前谈论(检测光化学)。

我真的很期待看到我们能对围绕冷m矮星运行的类地系外行星做些什么，看看它们的大气是由什么组成的。

”

特别是，TRAPPIST-1行星系统是JWST的一个关键目标，该系统由7个行星组成，围绕40光年外的一颗m矮星运行。

12月在STSCI举行的一次会议上发布了初步结果，未能探测到一些TRAPPIST-1行星周围的厚层氢，但我们必须耐心等待来自这些行星的更全面的结果，其中多达4颗行星可能位于其恒星宜居带。

WASP-39b很容易成为第一个目标，因为它的恒星很亮，而且行星信号很强。

像TRAPPIST-1这样的m矮星尽管离得更近，但是要暗淡得多。

穆拉利说:“我们必须等到有足够多这些家伙的过境，才能建立信噪比，因为你不能只靠一两次过境就做到这一点。

”“我认为我们至少要等到第一个周期的观测结束(2023年夏天)，才能有人说他们是否发现了真正壮观的东西。

”

近处和远处的恒星形成

JWST的另一个任务不仅是观测系外行星，而且是更好地了解它们及其恒星的形成方式。

特别是恒星的形成是理解它的关键过程，因为它连接了宇宙中远近的许多事物。

Longmore正在领导一项研究，使用JWST来观察银河系中心一个区域的疯狂恒星形成，这个区域被称为中心分子区，距离我们大约26000光年。

我们星系的中心是恒星最集中的地方，在我们的距离上，它们都挤在一起——哈勃太空望远镜无法分辨它们——而大量的尘埃笼罩着它们中的大多数在光学光下。

然而，用像JWST这样的大口径红外望远镜，这两个问题都不重要了。

Longmore说:“这是JWST的两项能力，将使我的领域彻底瓦解。

”望远镜出色的光学系统能够分辨出星系中心的单个婴儿恒星，红外线将穿过尘埃到达天文台。

“通常情况下，使用哈勃望远镜就像试图将望远镜对准一堵砖墙并透过它观察，”他补充说，“但JWST是通过那堵墙的窗户观察，并且可以数出单个的恒星。

”

图 4 恒星形成的创世之柱，由JWST用中红外成像，这张照片肯定会成为一张标志性的照片。

图片来源:NASA/ESA/CSA/STScI/J. DePasquale (STScI)/A. Pagan (STScI))

从银河系中心收集所有数据需要更长的时间，但这是因为它的环境非常复杂，到处都是明亮的漫射，所有这些都必须通过坚定和仔细的数据处理从恒星形成的相关信号中分离出来。

Longmore说:“在我参与的所有项目中，人们仍在与校准和其他事情作斗争，但希望在接下来的六个月里，情况会有所改变。

”他还讲了一个有趣的故事，说他的团队的一次观测被图像上的一个神秘圆圈破坏了。

经过更深入的调查，发现这并不是什么神秘的新现象，而是JWST之前一直在观测明亮的木星，而这颗巨大行星的残像还没有从仪器的电子传感器中正确地冲洗出来!

Longmore和他的同事们的目标是中心分子区，因为这是我们银河系中最类似于宇宙早期恒星形成条件的区域，当时恒星形成率很高，形成了密集的星团。

在中央分子区，天文学家打算测量一种称为初始质量函数(IMF)的性质，它描述了恒星形成星云中恒星质量的范围。

目前，天文学家还不明白是什么决定了恒星会随着它们拥有的质量而形成的原因，只知道低质量恒星比发光的高质量恒星更常见，至少在局部宇宙中是这样。

在130亿年前的第一个星系中也是这样吗?回答这个问题可以帮助解释星系是如何形成的，以及是什么结束了宇宙的黑暗时代。

深场和第一个星系

在她看到乔·拜登总统公布了JWST的第一张深场图像后，即星系团SMACS 0723，这是一个“引力透镜”，其巨大的引力放大了它背后的物体，弗莱和她的学生，加州大学伯克利分校的马西莫·帕斯卡尔(Massimo Pascale)竞相分析这张图像。

弗莱说:“我们三天半没有睡觉，我们的论文是JWST数据提交的前两篇论文之一。

”

他们一起发现了14个不同的高红移星系的42张新的引力透镜图像，这些星系位于很远的地方，以至于膨胀的宇宙拉伸了它们的光，使它们看起来更红。

随后进行了进一步的研究和更深的场，弗莱的团队和其他人发现了许多高红移候选者，包括一些红移达到创纪录的12、13甚至更高以上的星系;这些红移意味着我们看到的星系是在大爆炸后不到3亿年的时候存在的。

These high-redshift galaxies have proven something of a surprise, in that they appear more luminous than models of galaxy formation predicted they should be.

这些高红移星系已经被证明是一个惊喜，因为它们看起来比星系形成模型预测的更亮。

“一种可能的解释是，它们产生了太多的高质量恒星，它们有一个头重脚轻的初始质量函数。

”Longmore说，并指出在中央分子区测量星际磁场以了解年轻社区的恒星质量的重要性。

为什么初始质量函数在135亿年前会有所不同还不清楚，但早期的宇宙似乎比今天要激烈得多。

弗莱说:“目前，星系形成恒星的活动并不活跃，但在宇宙早期，许多星系形成恒星的活动更为活跃。

”

弗莱是PEARLS（再电离和透镜科学的主要银河系外的区域）团队的成员。

PEARLS是JWST的一个项目，用于对各种深场进行成像，包括两个明显稀疏的天空区域和一些星系团和原星系团，以观察最初数十亿年的星系形成。

图 5 珍珠场望向北极。

插图是各种类型的星系，从相互作用的星系到红宝石尘埃恒星形成星系。

(图片来源:NASA/ESA/CSA/Rolf A. Jansen, Jake Summers, Rosalia O'Brien, Rogier Windhorst (ASU)/Aaron Robotham (UWA)/Anton M. Koekemoer (STScI)/Christopher Willmer(亚利桑那大学)/JWST PEARLS team)

PEARLS团队发布了他们的第一个数据集，涉及靠近北极的遥远星系的非凡领域。

这个区域位于银河系主平面的正上方，所以JWST可以经常看到，而且它也在黄道尘埃等干扰特征上方。

在这幅图像中有一大堆星系。

有的相互作用，有的呈明显的螺旋结构;该系列展示了从钴蓝到宝石红的各种颜色。

弗莱对后者非常感兴趣。

弗莱说:“我们现在可以(在PEARLS图像中)观察到大量的红色盘状星系，我们认为它们可能是红色螺旋。

这种类型的星系非常有趣，因为它们类似于银河系年轻时的样子。

”

这种变红是由这些星系中大量的尘埃造成的;这些尘埃是大质量恒星快速形成的结果，这些恒星在超新星爆炸中迅速死亡，并将大量尘埃泄漏到太空中。

这样的星系对哈勃望远镜来说是完全隐藏的，但是红外光可以穿过尘埃，使JWST可以看到这些星系。

弗莱说:“这就像新年前夜的烟花表演。

“如果你燃放了很多烟花，最终它们会被尘土飞扬的烟雾掩盖。

”

JWST自6月全面投入使用以来一直在收集数据，这给科学家们留下了深刻的印象，但真正的烟花还在后面，有重大的发现在等着我们。

弗莱说，这是一个缓慢的过程，需要耐心。

“对于任何一个人来说，在很短的时间内研究或理解的东西都太多了，我们需要很长时间来处理所有的数据。

”

但结果是值得的。

穆拉利说:“这将彻底改变我们对我们在宇宙中的位置的理解，太阳系是如何形成和演化的，以及第一批恒星和星系是如何形成的。

我们已经通过这台望远镜取得了很大进展，它将会做更壮观的事情。

”

BY:Keith Cooper

FY:YI WEN

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