宇宙級買家秀
——韋布”的5張“首秀”圖

文/施韡

◎◎韋布望遠(yuǎn)鏡（圖源：NASA）

千呼萬喚始出來，2022 年7 月12 日晚，韋布望遠(yuǎn)鏡的首批科學(xué)圖像正式亮相。震撼人心的畫面讓幾乎所有人都覺得25 年的漫長等待值了，超過100 億美元的花費值了！

韋布望遠(yuǎn)鏡是人類設(shè)計過的最大、最復(fù)雜的空間望遠(yuǎn)鏡，在它身上應(yīng)用了多項尖端科技，如折疊的拼接式鏡片、可自動展開的薄膜型遮光罩、低溫促動器、輕量化光學(xué)元件、超精細(xì)攝譜儀、全新的熱控技術(shù)等。這些都意味著韋布望遠(yuǎn)鏡有非同尋常的科學(xué)目標(biāo)：

◆探索早期宇宙——擁有紅外成像能力的韋布望遠(yuǎn)鏡將成為一臺強(qiáng)大的“時間機(jī)器”，它可以回溯到135 億年前，看到宇宙誕生后不久，在黑暗中形成的第一代恒星和星系。

◆了解星系演化——超大鏡面和超靈敏的紅外探測設(shè)備將捕捉到最微弱、最早的星系“化石”，將它們與當(dāng)前宇宙的星系進(jìn)行比較，可幫助我們了解數(shù)十億年來星系是如何演化的。

◆見證恒星與行星的一生——紅外線具有穿透塵埃的能力，這讓韋布望遠(yuǎn)鏡具備了一雙“火眼金睛”——看清隱藏在塵埃之下的恒星與行星是如何誕生的。

◆了解系外行星——韋布望遠(yuǎn)鏡將告訴我們更多關(guān)于系外行星大氣層的信息，我們可以依此判斷宇宙中其他地方是否存在產(chǎn)生生命活動的基礎(chǔ)條件。

如此宏偉的科學(xué)目標(biāo)和巨大的工程難度，使得韋布望遠(yuǎn)鏡的研制過程異常艱難。最初計劃2007 年發(fā)射的它，直到2021 年底才終于起飛。在經(jīng)過了150 萬千米的長途跋涉、約360 個展開動作后，韋布望遠(yuǎn)鏡終于進(jìn)入了自己的工作軌道。又經(jīng)歷了長達(dá)數(shù)月的一系列復(fù)雜的鏡片校準(zhǔn)和儀器測試，它才終于準(zhǔn)備就緒。當(dāng)看到它傳回的第一張圖像時，科學(xué)家們歡呼雀躍——一切都是值得的。

韋布望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量比預(yù)期的還要好。首批公布的5 張圖像不僅展現(xiàn)了韋布望遠(yuǎn)鏡的卓越性能，更為我們呈現(xiàn)了一個前所未見的宇宙。

星系團(tuán) SMACS 0723：一臂之遠(yuǎn)的圖像中竟然包含了上千個星系

這是韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的首張深空圖像，主要顯示的是一個編號為 SMACS J0723.3-7327 的星系團(tuán)（可縮寫為 SMACS 0723）。

SMACS 0723 由數(shù)百個星系共同組成，距離地球大約46 億光年——也就是說，韋布望遠(yuǎn)鏡收集到的這些光子從星系團(tuán)起程出發(fā)時，我們的地球才剛剛誕生！

圖中最引人注目的是一顆光芒萬丈的星星。然而，它不過是銀河系中一顆不知名的暗弱恒星，只是由于離我們較近，才一不小心成功“搶戲”。在那顆亮星的右下方，你能見到幾個明亮的、白色的、呈現(xiàn)圓形或橢圓形的斑點，它們就是星系團(tuán)的成員。

在星系團(tuán)的周圍，你或許已經(jīng)注意到有幾十條細(xì)長而彎曲的弧線，像融化了的太妃糖。它們事實上是更遙遠(yuǎn)的星系——遠(yuǎn)至 100多億光年外。它們原本躲在 SMACS 0723 的身后，由于SMACS 0723的強(qiáng)大引力使周圍時空發(fā)生扭曲，將遠(yuǎn)方星系路過的光“掰彎”了，于是我們會看到多個重復(fù)的像，猶如我們正透過一個凸透鏡進(jìn)行觀察，這種現(xiàn)象叫作“引力透鏡效應(yīng)”。

這張圖片中密密麻麻遍布著數(shù)千個模糊的亮斑，其實它們都是完整的星系，每一個星系里都有上千億顆恒星。它們大多位于幾十億光年以外，個別呈現(xiàn)暗紅色的星系，與我們的距離則達(dá)到了130億光年。

◎◎◎SMACS◎0723星系團(tuán)（圖源：NASA）

◎◎WASP-96◎b的想象圖，就連韋布望遠(yuǎn)鏡也無法直接拍到它的影像◎（圖源：Astronomy.com）

系外行星 WASP-96 b：首次詳細(xì)揭示了太陽系外行星大氣中水的特征

WASP-96 是一顆距離地球約1100 光年的類太陽恒星，擁有一顆不同尋常的行星 WASP-96 b。據(jù)推測，這顆行星距離它的恒星只有700 萬千米，每3.4 天就公轉(zhuǎn)一周，其大小與木星相當(dāng)，但質(zhì)量只有木星的一半。根據(jù)這些信息判斷，這應(yīng)該是一顆熱木星（指其公轉(zhuǎn)軌道距離其宿主恒星極為接近的類木行星）。它的大氣層頂部應(yīng)該非常熱，可達(dá)到1000℃，這樣的高溫使得大氣膨脹。

更重要的是，從地球上看，這顆行星每一圈公轉(zhuǎn)都會從恒星前面經(jīng)過，這種現(xiàn)象稱為“凌日”。此時，恒星發(fā)出的光將先穿過這顆行星的上層大氣，才能到達(dá)地球。

行星大氣中的原子和分子會吸收特定波長的光。如果把恒星的光分解成像彩虹一樣的光譜，就會發(fā)現(xiàn)光譜上留下了額外的暗線，被稱為“吸收線”，是那顆行星大氣成分的印跡。

◎◎類太陽恒星◎WASP-96的光譜，透露了繞它旋轉(zhuǎn)的行星WASP-96◎b的大氣成分◎（圖源：NASA）

下方這張圖是行星WASP-96 b 發(fā)生凌日時類太陽恒星WASP-96 的光譜。從圖中我們看到WASP-96 b 的大氣中存在顯著的水蒸氣（H2O）。記錄到的數(shù)值波動還反映出行星大氣中含有云和霾的特征。

韋布望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜分辨本領(lǐng)，讓我們獲得了有史以來最清晰的系外行星大氣成分的數(shù)據(jù)。通過這種方法，我們有望獲得更多關(guān)于系外行星大氣的信息，從而判斷該行星是否宜居，甚至偵察其有無生命活動跡象。

◎◎通過凌星探測行星大氣成分的原理◎（制圖：施韡）

◎◎NGC◎3132的近紅外圖像◎（圖源：NASA）

行星狀星云 NGC 3132：展示了垂死恒星的華麗謝幕

NGC 3132 是一個行星狀星云，距離地球約 2000 光年，又被稱為“南天環(huán)狀星云”。它的前身是一顆類似太陽的恒星，核心燃料耗盡后快速膨脹成為一顆紅巨星，最終，外層物質(zhì)擴(kuò)散、脫離星體，核心則坍縮成白矮星，核心外圍的物質(zhì)以更高的溫度、更快的速度被推出去——這就是它形成的過程。

◎◎NGC◎3132的中紅外圖像◎（圖源：NASA）

◎◎NGC◎3132◎局部，透過星云能看到更遙遠(yuǎn)的星系（圖源：NASA）

看韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)（NIRCAM）拍攝的NGC 3132 圖像，低溫分子氣體和塵埃組成的外層物質(zhì)用橙色表示，中間的藍(lán)綠色是更熱的等離子體。我們能看出它的外層物質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常厚實且復(fù)雜。

韋布望遠(yuǎn)鏡的中紅外相機(jī)（MIRI）拍攝的NGC 3132 圖像讓我們發(fā)現(xiàn)：NGC 3132 的中心實際上有兩顆恒星，其中一顆恒星還沒有走到生命的終點。

如此精細(xì)的畫面有助于我們了解像太陽這樣的恒星死亡時的情況，了解上一代恒星拋射出去的物質(zhì)如何“化作春泥”成為下一代恒星形成所需的養(yǎng)料。

斯蒂芬五重奏星系：透視超大質(zhì)量黑洞附近氣體的速度與組成

◎◎上圖：斯蒂芬五重奏星系的近紅外圖像

斯蒂芬五重奏星系實際上由兩部分組成：其中4 個星系構(gòu)成一個相互作用的小星系群，距離地球約3 億光年；另一個為前景星系，也就是畫面中最左側(cè)的那個，離地球只有4000 萬光年，跟其他4個星系沒有物理上的關(guān)聯(lián)。這張近紅外圖像顯示了該星系群中相對較冷的氣體和塵埃?？次挥诋嬅嬷醒氲腘GC 7318 a 和NGC 7318 b，紅色部分是兩個星系劇烈碰撞過程中被甩出去的物質(zhì)。經(jīng)過一段時間的冷卻后，這些物質(zhì)有機(jī)會形成新的恒星。

而在中紅外圖像中，上方的NGC 7139 星系中心顯得非常明亮。這意味著我們看到的是來自一個超大質(zhì)量黑洞外圍的光芒。這個黑洞正在貪婪地吞噬著星系核心的氣體和塵埃，這些物質(zhì)在下落過程會升溫并發(fā)出強(qiáng)烈的電磁輻射。

◎◎下圖：斯蒂芬五重奏星系的中紅外圖像（圖源：NASA）

船底座星云：透過濃密塵埃瞥見新恒星的誕生

◎◎船底座星云的近紅外圖像◎（圖源：NASA）

在船底座的南部，有一個彌漫著氣體和塵埃的巨大星云，叫作“船底座星云（Carina Nebula）”。它距離地球大約7000 光年，是銀河系最活躍的恒星形成區(qū)之一。

這張圖是由韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)所拍。畫面下半部分像山巒一樣的是星云里的氣體和塵埃；上半部分顯示出一些質(zhì)量巨大、非常明亮的恒星，它們吹出的星風(fēng)侵蝕著氣體和塵埃，將它們一路向西推，就像海浪沖刷著沙灘一樣，留下了涇渭分明的界線。

韋布望遠(yuǎn)鏡的中紅外相機(jī)同樣也拍攝了船底座星云。圖中粉紅色和紅色的部分是正在誕生或剛剛誕生的恒星。它們中的一部分產(chǎn)生了強(qiáng)烈的輻射和星風(fēng)，將包裹自己的氣體吹走，于是形成了氣泡或空腔；而另一部分仍然被形成它們的塵埃物質(zhì)深深包裹著。這一過程只會持續(xù)5 萬年至10 萬年，這在恒星的一生中堪稱一瞬，韋布望遠(yuǎn)鏡以其極高的靈敏度捕捉到了這一美妙時刻。

星空之美，美不勝收；宇宙之妙，妙不可言。韋布望遠(yuǎn)鏡的首批照片把我們帶入了夢境般的宇宙深處，令人陶醉不已。然而，這僅僅是個開始。我們有理由相信，韋布望遠(yuǎn)鏡會將我們對宇宙的認(rèn)知推向一個前所未有的高度。

◎◎船底座星云的中紅外圖像◎（圖源：NASA）