“韋伯”首批圖像，洞悉哪些宇宙密碼

文/杜駿豪

▲ “韋伯”拍攝的SMACS 0723 星系團(tuán)深空?qǐng)鰣D像

▲“韋伯”由阿里安5 號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空畫(huà)面

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年多的在軌調(diào)試后，美國(guó)宇航局終于在2022 年7 月12 日公布了詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡試運(yùn)行階段拍攝的首批全彩色圖像與科學(xué)數(shù)據(jù)。寥寥數(shù)張照片以其前無(wú)古人的細(xì)節(jié)震驚了全世界，韋伯望遠(yuǎn)鏡毫無(wú)保留地展示出它傲人的能力。

不同于哈勃望遠(yuǎn)鏡專(zhuān)注于拍攝可見(jiàn)光波段，“韋伯”的觀測(cè)范圍在紅外波段，是人類(lèi)肉眼不可見(jiàn)的。因此“韋伯”拍攝圖像的顏色都是由科學(xué)家“手工上色”得到的：針對(duì)不同紅外波長(zhǎng)向可見(jiàn)光波長(zhǎng)進(jìn)行的映射，用人類(lèi)可以看到的顏色來(lái)描述并不可見(jiàn)的紅外色彩，這被稱(chēng)作“偽色成像圖”。合適的顏色映射能給予人們更震撼的視覺(jué)感受，也能為研究它們的科學(xué)家提供更加豐富多彩的科研信息。

韋伯望遠(yuǎn)鏡為何選取這些天體作為首批觀測(cè)的目標(biāo)？它們又帶給我們哪些見(jiàn)所未見(jiàn)的全新視野？本文將帶你一探究竟。

▲ 韋伯望遠(yuǎn)鏡測(cè)試圖像與前幾代空間紅外望遠(yuǎn)鏡對(duì)比

遂古洪荒——韋伯深空?qǐng)?/h2>

最先公布的是“韋伯”拍攝的首張深空?qǐng)鰣D像，拍攝目標(biāo)是位于飛魚(yú)座的SMACS 0723 星系團(tuán)天區(qū)，由“韋伯”的近紅外相機(jī)（NIRCam）拍攝。這張圖并非是均一混雜的光斑，而是一幅穿越遂古時(shí)空的宇宙密碼。

“韋伯”對(duì)準(zhǔn)這一暗淡天區(qū)進(jìn)行了12.5 小時(shí)的曝光，收集到極其微弱的光線，這其中就包括上百億光年外極其深邃宇宙的光芒，因此稱(chēng)作“深空?qǐng)觥?。韋伯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一便是能看到宇宙中最久遠(yuǎn)的事件和最遙遠(yuǎn)的物體，包括宇宙誕生最初五億年的“第一縷曙光”。

首先你會(huì)看到最耀眼的一枚六芒星，仔細(xì)觀察還會(huì)發(fā)現(xiàn)其他相對(duì)較小的六芒星。實(shí)際上每枚六芒星都是銀河系內(nèi)距離我們相對(duì)較近的恒星，構(gòu)成了這張照片的前景，不是觀測(cè)的主要目標(biāo)。這些分立恒星的芒角是由一種叫做衍射的光學(xué)現(xiàn)象造成的，由于韋伯望遠(yuǎn)鏡的主鏡都是六邊形，主鏡的對(duì)稱(chēng)性決定了光線與望遠(yuǎn)鏡發(fā)生衍射后也會(huì)帶有相同六邊形對(duì)稱(chēng)性的芒角。只有銀河系內(nèi)距離我們相對(duì)較近的恒星才會(huì)產(chǎn)生明顯的芒角，這有助于科學(xué)家分辨光斑歸屬于銀河系內(nèi)還是銀河系外。

排除掉這些六芒星，大部分黃白色橢球光斑便屬于銀河系外更加遙遠(yuǎn)且巨大的SMACS 0723 星系團(tuán)了，它距離我們約46 億光年，由成千上百個(gè)星系構(gòu)成，其中不乏與我們銀河系同尺度的巨大星系，每個(gè)星系都由上千萬(wàn)顆恒星組成。相比整個(gè)可觀測(cè)宇宙半徑的465 億光年，46 億光年的距離并不太過(guò)遙遠(yuǎn)，因此它們的顏色以相對(duì)正常的黃白色表示。但，這也并非這張圖像的重點(diǎn)。

在SMACS 0723 星系團(tuán)身后更加遙遠(yuǎn)的天體是本圖像最動(dòng)人心弦的元素。在圖中，你可以觀察到一些帶有橙紅色光芒的橢圓斑點(diǎn)。每枚橙紅色光斑都是宇宙最早期的星系，它們形成時(shí)宇宙年齡只有10 億年左右。之所以科學(xué)家賦予其橙紅色，是因?yàn)榫嚯x地球更遠(yuǎn)的星系發(fā)出的光要穿越更長(zhǎng)的距離才能到達(dá)地球，波長(zhǎng)會(huì)向低頻方向移動(dòng)發(fā)生“紅移”現(xiàn)象。

▲ 發(fā)射直播畫(huà)面，這是韋伯望遠(yuǎn)鏡留給人類(lèi)最后的影像

▲ “哈勃”拍攝的SMACS 0723 星系團(tuán)深空?qǐng)鰣D像，曝光時(shí)間約10 天

仔細(xì)觀察，我們還可以發(fā)現(xiàn)一些扭曲的橙紅色圓盤(pán)，它們被稱(chēng)作“愛(ài)因斯坦環(huán)”，是廣義相對(duì)論的直接證據(jù)之一。這些遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)SMACS 0723 星系團(tuán)時(shí)，由于SMACS 0723 星系團(tuán)巨大的質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空扭曲，沿直線傳播的光在穿越扭曲的時(shí)空后也被扭曲了，猶如宇宙中存在一面巨大的凸透鏡，這便是大名鼎鼎的“引力透鏡”效應(yīng)。

科學(xué)家還通過(guò)“韋伯”的近紅外光譜儀（NIRSpec）拍攝了其中48 個(gè)星系的特征光譜，通過(guò)光譜中氫元素、氧元素等特征譜線的波長(zhǎng)數(shù)值可以直接確定紅移的程度，進(jìn)而確定每個(gè)星系與我們的距離、誕生的時(shí)間。宇宙大爆炸發(fā)生于137 億年前，其中最久遠(yuǎn)的星系誕生于宇宙大爆炸僅7 億年后。值得一提的是，部分星系的光譜幾乎完全一致，這證明它們實(shí)際上是同一個(gè)星系的雙重像，是引力透鏡效應(yīng)的另一直觀體現(xiàn)。

▲ 一枚明顯的愛(ài)因斯坦環(huán)

▲ 引力透鏡效應(yīng)下，同一個(gè)遙遠(yuǎn)星系藕斷絲連的雙重像

水的指紋——系外行星光譜

自1992 年天文學(xué)家確認(rèn)存在第一顆系外行星開(kāi)始，人類(lèi)就在不斷尋找宇宙中的另一個(gè)地球。人類(lèi)通過(guò)火星車(chē)等探測(cè)器對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)行星進(jìn)行研究尚有難度，系外行星過(guò)于遙遠(yuǎn)，對(duì)系外行星進(jìn)行光學(xué)成像都是近乎不可能完成的任務(wù)。韋伯望遠(yuǎn)鏡配備有日冕儀，雖不能獲得系外行星的清晰圖像，但依然可以通過(guò)分析系外行星微弱的光譜，對(duì)系外行星的大氣成分進(jìn)行研究，這是目前人類(lèi)研究系外行星最有力的工具。如果系外行星大氣化學(xué)成分與地球相匹配，那里也許具有生命生存的必要條件。

▲ “韋伯”拍攝的四個(gè)星系的光譜，更遙遠(yuǎn)的星系顯示出更明顯的紅移現(xiàn)象

作為銀河系中5000 多顆已確認(rèn)存在的系外行星之一，鳳凰座WASP-96b 有幸成為“韋伯”首批觀測(cè)的系外行星，這是“韋伯”公布的首批觀測(cè)成果中唯一沒(méi)有實(shí)體圖像的目標(biāo)，但它帶給我們的信息已經(jīng)足夠豐富——在這顆距離地球1120 光年的行星大氣中，天文學(xué)家確認(rèn)了水的存在。

WASP-96b 圍繞母恒星WASP-96 旋轉(zhuǎn)，是一顆類(lèi)似木星的氣態(tài)巨行星，質(zhì)量只有木星的一半，半徑卻是木星的1.2 倍。這是由于WASP-96b距離其母恒星十分近，只有地球與太陽(yáng)間距的4.5%，其表面溫度高達(dá)725攝氏度，氣體受熱膨脹劇烈。同時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況也一定程度反映出它的大氣中還存在云層甚至霧霾。

在1120 光年外是如何得到以上信息的呢？WASP-96b 的公轉(zhuǎn)軌道平面與地球接近共面，因此它能夠恰巧遮擋母恒星的光芒，在遮擋期間母恒星的亮度會(huì)周期性地降低1.5%，科學(xué)家就是通過(guò)這樣的“掩星法”發(fā)現(xiàn)的WASP-96b?！绊f伯”每84 秒對(duì)其母恒星進(jìn)行光度測(cè)量，并持續(xù)6 小時(shí)23 分鐘之久，得到了掩星期間母恒星的光變曲線，便可以計(jì)算得出這顆行星的半徑、公轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)半徑與質(zhì)量。

▲ 系外行星WASP-96b 透射光譜，顯示出特征的水分子譜線

▲ “掩星法”光變曲線

另一方面，通過(guò)對(duì)比母恒星正常時(shí)的光譜與掩星期間的光譜，可以得到不同波長(zhǎng)的光被WASP-96b 大氣層吸收的比例，這樣便可以繪制出我們所看到的WASP-96b 透射光譜。不同的分子有不同的特征光譜，吸收特定波長(zhǎng)的光，猶如分子的指紋一般獨(dú)一無(wú)二。WASP-96b 的光譜圖就展現(xiàn)出十分明顯的水分子譜帶。

雖然擁有水，但這顆行星距離母星過(guò)近，不可能孕育生命。WASP-96b 只是“韋伯”在生涯伊始小試牛刀的對(duì)象，讓我們期待“韋伯”能夠在茫茫星海中找到全然適宜人類(lèi)生存的地球2.0 吧。

▲ “韋伯”拍攝的斯蒂芬五重奏星系近紅外相機(jī)（NIRCam）與中紅外儀（MIRI）合成圖像

▲ “韋伯”中紅外儀（MIRI）拍攝的斯蒂芬五重奏星系

宇宙芭蕾——斯蒂芬五重奏星系

飛馬座的斯蒂芬五重奏星系正如其名，有五個(gè)星系共處同一天區(qū)內(nèi)。事實(shí)上，最左側(cè)的NGC 7320 星系是獨(dú)立的，距離我們4000 萬(wàn)光年；其余四個(gè)星系則距離更遠(yuǎn)，距離我們約2.9 億光年。后四者之間有明顯引力相互作用，共同舞蹈出絢麗的宇宙潮汐。

▲ 近紅外相機(jī)（NIRCam）

中紅外儀（MIRI）的核心感光元件

斯蒂芬五重奏星系在1877 年由法國(guó)天文學(xué)家E·斯蒂芬發(fā)現(xiàn)，是有史以來(lái)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)致密星系群?！绊f伯”使用近紅外相機(jī)（NIRCam）與中紅外儀（MIRI）對(duì)其分別成像，是“韋伯”迄今為止拍攝的最大圖像，由近1000 張單獨(dú)圖像拼合而成，整圖超過(guò)1.5 億像素。我們可以非常直觀地看到在引力作用下，星系的結(jié)構(gòu)土崩瓦解，星系內(nèi)氣體與塵埃如天女散花般五彩紛呈，數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的恒星在這激烈的交響曲中萬(wàn)象新生。在MIRI 圖像中，紅色代表布滿(mǎn)塵埃的恒星形成區(qū)域，藍(lán)色表示相對(duì)獨(dú)立的恒星以及含有碳?xì)浞肿拥挠钪鎵m埃，綠色與黃色則代表距離更加遙遠(yuǎn)的星系，它們也含有碳?xì)浞肿印?/p>

斯蒂芬五重奏星系之內(nèi)的四個(gè)星系有朝一日終會(huì)合為一體，為天文學(xué)家研究星系間的相互作用與星系的合并過(guò)程提供了重要參考。天文學(xué)家預(yù)測(cè)在40 億年后，我們的銀河系與距離最近的仙女座星系也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的碰撞與合并過(guò)程。

另一方面，斯蒂芬五重奏星系還能幫助科學(xué)家了解星系中心超大質(zhì)量黑洞對(duì)整個(gè)星系演化過(guò)程的影響。在大型星系的中心一般都存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，周?chē)h(huán)繞著活動(dòng)星系核（AGN）。比如銀河系中心的人馬座A＊黑洞，其質(zhì)量大約是太陽(yáng)的370 萬(wàn)倍，而這一個(gè)黑洞的存在足以影響整個(gè)星系內(nèi)其余恒星的演化過(guò)程。本次觀測(cè)，“韋伯”也同時(shí)獲取了斯蒂芬五重奏星系內(nèi)活動(dòng)星系核的氣體紅外窄波圖像，能夠直接反應(yīng)出星系中心黑洞活動(dòng)產(chǎn)生的輻射、物質(zhì)流與星系內(nèi)氣體、塵埃的相互作用。

▲ “韋伯”近紅外相機(jī)（NIRCam）拍攝的南環(huán)星云

總而言之，在你驚嘆于斯蒂芬五重奏星系這場(chǎng)絢爛的宇宙芭蕾時(shí)，天文學(xué)家同時(shí)能在其中解讀我們星系的過(guò)去與未來(lái)。

凋零之美——南環(huán)星云

有些恒星會(huì)在死亡之后才將最美麗的一面展現(xiàn)給世人，南環(huán)星云便是如此。南環(huán)星云又名八裂星云，是位于船帆座的行星狀星云，距離我們約2000 光年，編號(hào)NGC 3132。

行星狀星云是一類(lèi)外形呈圓環(huán)或圓盤(pán)狀的星云，在望遠(yuǎn)鏡中觀察就像天王星或海王星一樣具有清晰邊緣的視面。它們多起源于中低質(zhì)量恒星的生命末期，首先恒星核心的氫燃料燃燒殆盡，迅速膨脹為一顆紅巨星，在一瞬間迅速坍縮，核心成為一顆密度極高的白矮星，而外層的物質(zhì)則以極高的速度向外擴(kuò)散。白矮星不斷向外發(fā)射猛烈的紫外輻射，外層物質(zhì)發(fā)生電離產(chǎn)生電磁輻射，形成一朵絢爛的星云。

“韋伯”使用近紅外相機(jī)（NIRCam）與中紅外儀（MIRI）對(duì)其分別成像。在近紅外相機(jī)圖中，外層橙色代表溫度較低的氣體與塵埃，內(nèi)部藍(lán)綠色則代表溫度更高的等離子體。在中紅外相機(jī)圖像中，我們可以清楚地發(fā)現(xiàn)南環(huán)星云的核心實(shí)際上有兩顆恒星，其中紅色的一顆是已經(jīng)死去的白矮星，而另一顆則是正值中年的正常恒星。二者在這朵星云的中心互相旋轉(zhuǎn)，共同譜寫(xiě)一曲宇宙中的華爾茲。在二者引力的干擾、白矮星的紫外輻射與正常恒星的星風(fēng)吹拂下，攪動(dòng)星云、翻云覆雨，共同締造出南環(huán)星云獨(dú)一無(wú)二的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

▲ “韋伯”中紅外儀（MIRI）拍攝的南環(huán)星云

▲ “韋伯”近紅外相機(jī)（NIRCam）拍攝的船底座星云

▲ “韋伯”的船底座星云近紅外相機(jī)（NIRCam）與中紅外儀（MIRI）合成圖像

▲ “哈勃”在可見(jiàn)光波段拍攝的船底座星云

恒星搖籃——船底座星云

船底座NGC 3324 星云是銀河系內(nèi)的恒星“搖籃”，距離我們大約7600 光年。它的寬度達(dá)到460 光年，是銀河系中最大的恒星形成區(qū)域。“韋伯”僅僅拍攝了其冰山一角。

在這張動(dòng)人心弦的圖像中，船底座星云下半部分充滿(mǎn)塵埃，與上半部形成的明顯分界線被天文學(xué)家稱(chēng)作“宇宙懸崖”。在這朵人類(lèi)難以想象的巨大氣體云和塵埃云之中，新的恒星正在隨時(shí)誕生。來(lái)自新生恒星的風(fēng)吹拂宇宙中的塵埃，如大海侵蝕海岸懸崖一般將塵埃雕刻出斷壁殘?jiān)?/p>

▲ 發(fā)射前韋伯望遠(yuǎn)鏡完整的光學(xué)結(jié)構(gòu)

相比“哈勃”在可見(jiàn)光波段拍攝的同天區(qū)圖像，“韋伯”拍攝到了更多明亮的恒星，在可見(jiàn)光波段這些恒星被塵埃完全遮擋。這得益于紅外線相比于可見(jiàn)光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能夠輕松穿越星際塵埃，因此可以幫助天文學(xué)家直擊初生恒星的核心區(qū)域，如同獲得了一雙透視眼。

恒星形成的過(guò)程一直是天文學(xué)界求而不得的問(wèn)題。一方面，星云內(nèi)氣體與塵埃受到不穩(wěn)定擾動(dòng)時(shí)，在引力作用下凝聚為密度更高的原恒星，隨著質(zhì)量增加其核心被點(diǎn)燃，一顆新的恒星得以誕生。但在另一方面，隨著新生恒星的形成，恒星發(fā)出的輻射與星風(fēng)也可能會(huì)緩慢侵蝕氣體與塵埃，將其沖散，阻止新恒星的形成。幫助新恒星誕生與干擾新恒星誕生之間似乎存在一種微妙的平衡。是什么決定了在某個(gè)區(qū)域內(nèi)形成恒星的數(shù)量？“韋伯”對(duì)船底座星云的觀測(cè)結(jié)果將幫助天文學(xué)家解答這一重大問(wèn)題。

征途新啟，未來(lái)可期

在“韋伯”公布的第一批圖像中，我們看到了永恒的死寂與激烈的新生，我們看到了洪荒的遂古與可知的未來(lái)。“韋伯”是冰冷的，它的工作溫度低至零下223 攝氏度；但“韋伯”看到的景色是熾熱的，星系的碰撞、白矮星的輻射與超新星的爆發(fā)無(wú)不激蕩出宇宙的火樹(shù)銀花。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的20 余年觀測(cè)生涯才剛剛拉開(kāi)大幕，人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)知將會(huì)在“韋伯”的目光下得以剔膚見(jiàn)骨。這批圖像的發(fā)布不是對(duì)“韋伯”能力的總結(jié)，僅僅是它漫漫征途的起點(diǎn)，讓我們一起期待“韋伯”繼續(xù)帶我們看一看那聞所未聞的世界。在人們欣賞時(shí)感慨“100 億美元真值”的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)看到：近20 年的研發(fā)歷程真值，全球天文愛(ài)好者的殷切期盼真值，上百名科學(xué)家與工程師的心血傾注真值，人類(lèi)的好奇心與探索精神真值！