韋布空間望遠(yuǎn)鏡如何改變宇宙學(xué)？

在韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）開始科學(xué)運(yùn)行兩年多后，我們對宇宙的認(rèn)知發(fā)生了巨大變化。

這張展示了同一天體（即環(huán)狀星云）的三種不同視角：來自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的圖像（左）、韋布空間望遠(yuǎn)鏡的近紅外攝譜儀（NIRCam）圖像（中）和中紅外成像光譜儀（MIRI）圖像（右）。在更長的波長上，可見光無法觀測到的細(xì)節(jié)得以壯麗地呈現(xiàn)。韋布空間望遠(yuǎn)鏡的高靈敏度首次揭示了環(huán)狀星云中的許多特征

難以想象，自韋布空間望遠(yuǎn)鏡于2022年7月開始科學(xué)觀測以來，才過去了短短兩年。在那之前，我們已經(jīng)獲得了大量有關(guān)宇宙的信息，但也面臨諸多懸而未決的宇宙學(xué)難題。我們知道的關(guān)于宇宙的主要事實有以下幾點：宇宙年齡為138億年；宇宙在熾熱大爆炸中誕生，經(jīng)歷了一個暴脹期；宇宙由暗能量和暗物質(zhì)主導(dǎo)，但二者的本質(zhì)至今仍是謎；對宇宙膨脹速度的測量存在“哈勃常數(shù)危機(jī)”這一重大難題；超大質(zhì)量黑洞在宇宙早期就已形成；已知的最早期星系也是大質(zhì)量的，經(jīng)歷了某種程度的演化并且相當(dāng)明亮。

我們的宇宙圖景中包括星系、恒星和化學(xué)演化，從早期的原始狀態(tài)演變到我們周圍所觀測到的晚期狀態(tài)。在這一段歷史中，超過兩兆億顆恒星分布在數(shù)以萬億計的星系中，構(gòu)成了直徑約920億光年的可觀測宇宙。但許多重要問題仍然存在，比如：暗物質(zhì)和暗能量是什么？宇宙的真實膨脹速度到底有多快？第一代恒星和星系是在什么時候形成的？超大質(zhì)量黑洞是如何產(chǎn)生的？類似太陽的恒星和類似地球的行星又是如何誕生的？

現(xiàn)在，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)運(yùn)行已超過兩年，以下是韋布空間望遠(yuǎn)鏡帶來的變化、保持不變的部分以及韋布空間望遠(yuǎn)鏡的新發(fā)現(xiàn)引發(fā)的進(jìn)一步問題。

我們需要準(zhǔn)確理解韋布空間望遠(yuǎn)鏡的能力，因為盡管它非常強(qiáng)大，擁有前所未有的能力，它也無法解答所有的宇宙學(xué)難題。韋布空間望遠(yuǎn)鏡是一臺具備高分辨率的大型低溫望遠(yuǎn)鏡，專為觀測長波段（從0.6至約28微米）宇宙信號而優(yōu)化，能在數(shù)十個不同波段下成像，并對單個天體進(jìn)行分光觀測。然而，韋布空間望遠(yuǎn)鏡也存在一些重要的局限性：它的視場很窄，無法一次性觀測到宇宙的大片區(qū)域；它的觀測申請競爭極為激烈，在1份觀測申請被接收的同時，會有另外10份高質(zhì)量的觀測申請被拒絕；對單個目標(biāo)進(jìn)行分光觀測所需要的時間遠(yuǎn)比成像觀測多，這嚴(yán)重限制了可進(jìn)行光譜分析的天體數(shù)量；它無法在多個濾波片下同時成像。觀測的波段越多，所需的觀測時間也就越長。

即使有這些限制，韋布空間望遠(yuǎn)鏡依然獨(dú)具優(yōu)勢，能夠開展大量創(chuàng)新性的科學(xué)研究。尤其是韋布空間望遠(yuǎn)鏡有望打破“最遠(yuǎn)”或“最早”的某類天體這樣的宇宙學(xué)記錄，因為它在設(shè)計上就考慮到了這些目標(biāo)。然而，由于其出色的能力，韋布空間望遠(yuǎn)鏡還意外促成了一系列原本并未預(yù)料到的全新發(fā)現(xiàn)，這正是韋布空間望遠(yuǎn)鏡乃至任何新望遠(yuǎn)鏡科學(xué)中最令人興奮的方面。

天文學(xué)家和物理學(xué)家經(jīng)常使用一個外界幾乎聞所未聞的術(shù)語：“發(fā)現(xiàn)潛力”。在韋布空間望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)時代來臨時，天文學(xué)家感到如此興奮，背后有兩方面的原因。首先是新技術(shù)帶來的多項新功能，例如：因分段可折疊的特性而在太空中構(gòu)建的大型主鏡、由5層遮陽罩而形成的極低溫環(huán)境、由儀器和清潔室技術(shù)的進(jìn)步而帶來的高質(zhì)量光學(xué)元件和儀器等。僅從設(shè)計能力看，韋布空間望遠(yuǎn)鏡便注定會打破多項紀(jì)錄。這些功能本身就是韋布空間望遠(yuǎn)鏡的“絕對優(yōu)勢”。

但第二方面的原因更為深遠(yuǎn)，不僅對韋布空間望遠(yuǎn)鏡來說如此，對整個物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域都極具意義。每當(dāng)我們建造一臺儀器、望遠(yuǎn)鏡或設(shè)備，便希望滿足以下條件：超越此前所有相似儀器的極限，尤其是超越此前相似儀器在某些特定參數(shù)范圍內(nèi)的靈敏度極限；能夠使用這一臺儀器、望遠(yuǎn)鏡或設(shè)備去觀測新的天區(qū)，或僅去觀測此前已觀測到的天體和現(xiàn)象。

這些全新的能力帶來了某種過去不可能存在的機(jī)會，即只需通過這一新工具進(jìn)行觀測，就有可能發(fā)現(xiàn)新事物。過去所有的儀器沒有足夠的靈敏度來完成這樣的新發(fā)現(xiàn)，但只需要使用這一新工具來探測宇宙，一些令人驚喜的甚至是革命性的新發(fā)現(xiàn)就突然成了可能。

因此，我們不應(yīng)對韋布空間望遠(yuǎn)鏡給我們帶來的諸多新發(fā)現(xiàn)感到意外。其中，既有預(yù)期內(nèi)的成就，也有令人驚喜的突破。正如預(yù)想的那樣，韋布空間望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造了多項新的宇宙學(xué)記錄。憑借著比哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡、索菲亞平流層紅外天文臺或者任何世界級的地基光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡更廣的波長觀測范圍和更高的分辨率，韋布空間望遠(yuǎn)鏡專為觀測超遠(yuǎn)恒星、類星體和星系而生。自2022年韋布空間望遠(yuǎn)鏡投入使用以來，宇宙學(xué)距離記錄已多次被刷新，這些成就如同我們想象中的一樣令人印象深刻。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡常被譽(yù)為“宇宙時光機(jī)”，因為它比歷史上任何光學(xué)或紅外望遠(yuǎn)鏡都能看到更遙遠(yuǎn)的宇宙過去。當(dāng)然，我們可以在射電波段上觀測大爆炸留下的余輝，也可能利用氫原子自旋翻轉(zhuǎn)躍遷產(chǎn)生的21厘米譜線，通過遠(yuǎn)紅外和射電天文學(xué)觀測恒星形成前的中性氫原子特征。而韋布空間望遠(yuǎn)鏡在前所未有的超長波段上展現(xiàn)的高精度觀測能力，加上開展光譜跟蹤觀測的能力，使它不僅能識別出大量超遠(yuǎn)星系的候選體，還能確認(rèn)它們的距離并揭示其內(nèi)部特征。

例如，在韋布空間望遠(yuǎn)鏡之前，已知宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系是由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的GN-z11，早在2016年它就創(chuàng)下了宇宙學(xué)最遠(yuǎn)距離記錄。當(dāng)韋布空間望遠(yuǎn)鏡于2022年開始科學(xué)運(yùn)行時，GN-z11仍然是人類已知的最遙遠(yuǎn)星系。然而到了2024年底，GN-z11不僅不再是紀(jì)錄保持者，甚至已跌出前十。當(dāng)前最遙遠(yuǎn)的十個星系均由韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，或借助韋布空間望遠(yuǎn)鏡探測到的關(guān)鍵特征來確認(rèn)其極遠(yuǎn)的距離，其中韋布空間望遠(yuǎn)鏡高級深星系外巡天（JADES）合作團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了目前的宇宙最遠(yuǎn)距離紀(jì)錄保持者：JADES-GS-z14-0。

這個超遙遠(yuǎn)星系在許多方面都引人注目。它的光來自大爆炸后僅2.85億年，當(dāng)時宇宙的年齡僅為當(dāng)前年齡的2.1%。它與一個更亮的前景星系重疊，但憑借韋布空間望遠(yuǎn)鏡的超高分辨率，我們能將兩者區(qū)分開來，揭示出更遙遠(yuǎn)的背景星系的詳細(xì)信息。它的紅移值為14.32，意味著在韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測到它時，我們接收到的光相較于其原始發(fā)射波長已被額外拉長了14.32倍。

然而，這個星系的兩個特性出乎科學(xué)家的意料。首先，這個星系非常明亮：其亮度不僅超出當(dāng)前主流理論的預(yù)期，甚至遠(yuǎn)超此前韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的其他超遙遠(yuǎn)星系。其次，星系中幾乎沒有塵埃，這一點同樣與現(xiàn)有理論相悖。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡還打破了其他多項宇宙學(xué)距離記錄。它發(fā)現(xiàn)了迄今最早的原星系團(tuán)：它在一片狹小天區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)7個獨(dú)立星系有著精確且相同的紅移值7.88，對應(yīng)于大爆炸后僅6.5億年。這一原星系團(tuán)被稱為A2744z7p9OD，較之前的紀(jì)錄早了1.5億年。此外，許多早期星系不再是無法相互區(qū)分的紅點，而是表現(xiàn)為延展天體，其中一些甚至可能顯示出存在衛(wèi)星星系的特征——這是在韋布空間望遠(yuǎn)鏡的能力下才能觀測到的細(xì)節(jié)。

在這次韋布空間望遠(yuǎn)鏡公布的早期數(shù)據(jù)中，還發(fā)現(xiàn)了數(shù)百個超遙遠(yuǎn)星系候選體，其中數(shù)十個有望刷新韋布空間望遠(yuǎn)鏡新創(chuàng)下的紀(jì)錄。在2023年的一項研究中，韋布空間望遠(yuǎn)鏡偶然發(fā)現(xiàn)了有史以來最遙遠(yuǎn)的引力透鏡。此外，韋布空間望遠(yuǎn)鏡還幫助發(fā)現(xiàn)了許多迄今最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞（包括已知最遙遠(yuǎn)的四個），其中包括一個在星系UHZ1中發(fā)現(xiàn)的備受關(guān)注的黑洞：韋布空間望遠(yuǎn)鏡（紅外觀測）和錢德拉X射線天文臺（X射線觀測）聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量約為銀河系中心黑洞兩倍的超大質(zhì)量黑洞，但該星系中的恒星總質(zhì)量卻僅約為太陽質(zhì)量的一千萬倍。盡管韋布空間望遠(yuǎn)鏡能觀測到這些天體并不令人驚訝，但這些黑洞與星系中恒星的質(zhì)量比卻完全出乎意料。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡還進(jìn)行了許多看似“平常”的觀測：對一些吸引了好幾代天文學(xué)家的天體進(jìn)行了追蹤觀測，這些天體此前已被觀測過數(shù)百次。例如，韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測了蟹狀星云——一個超新星遺跡，誕生于1054年一次大質(zhì)量恒星的核心坍縮。自此后的970年里，蟹狀星云不斷擴(kuò)張，目前已橫跨約11光年，充分展示了超新星爆炸的威力（即使是千年之后）。憑借對此前觀測無法分辨的細(xì)微特征的高靈敏度，韋布空間望遠(yuǎn)鏡有望解開蟹狀星云的質(zhì)量之謎：中心脈沖星加上超新星拋射物的總質(zhì)量為何達(dá)不到引發(fā)核心坍縮超新星所需的最小質(zhì)量（約8個太陽質(zhì)量）。

在對獵戶座星云（距離地球最近的大型恒星形成區(qū)）的觀測中，韋布空間望遠(yuǎn)鏡不僅對原恒星進(jìn)行了更清晰的成像，還繪制了其中中性物質(zhì)和塵埃的分布圖。當(dāng)然，韋布空間望遠(yuǎn)鏡雖然在這些工作中大獲成功，但它也發(fā)現(xiàn)了一些完全出乎意料的東西：大量木星質(zhì)量（甚至超木星質(zhì)量）的行星在這些恒星誕生區(qū)內(nèi)自由漂浮，這些行星不依附任何類型的母恒星。不僅這些行星的發(fā)現(xiàn)出乎意料，其中有高達(dá)9%的行星還成對出現(xiàn)，彼此相互束縛，形成了木星質(zhì)量雙星天體（JuMBO）。在韋布空間望遠(yuǎn)鏡之前，人們甚至不知道有這類天體存在。

眾多地基和空間望遠(yuǎn)鏡在不同波段上對北落師門系統(tǒng)進(jìn)行了觀測。然而，目前只有韋布空間望遠(yuǎn)鏡能夠分辨出該系統(tǒng)內(nèi)部的塵埃碎片區(qū)域。此前，赫歇爾空間天文臺、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列的觀測數(shù)據(jù)都顯示出北落師門系統(tǒng)中存在一個內(nèi)盤和一個外帶，而韋布空間望遠(yuǎn)鏡的觀測則揭示了兩者之間的一條“中間帶”。這一發(fā)現(xiàn)完全出乎意料，與太陽系中僅有的小行星帶和柯伊伯帶不同

當(dāng)韋布空間望遠(yuǎn)鏡深入觀測備受研究的“艾爾 · 戈爾多”（El Gordo）星系團(tuán)內(nèi)部時，它發(fā)現(xiàn)了壯觀的引力透鏡現(xiàn)象。這正是我們在這樣一個大質(zhì)量而遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)中所期望看到的，它的引力會彎曲和扭曲其所在時空。因此，背景天體的光線被引力透鏡效應(yīng)扭曲、拉伸并放大，通常同時出現(xiàn)多個星像。然而，在這片天區(qū)中還觀測到了一些前所未見的天體：一顆位于宇宙學(xué)距離上的紅超巨星，這只有在韋布空間望遠(yuǎn)鏡的高靈敏度與艾爾 · 戈爾多星系團(tuán)的透鏡特性相結(jié)合時才得以觀測到。這顆紅超巨星被命名為“Quyllur”（意為“星星”），距地球超過100億光年。

與此同時，韋布空間望遠(yuǎn)鏡還觀測了大量相對較近的星系，這些星系具備以下三個重要特征：它們富含造父變星，這是一類特殊類型的恒星，其亮度隨時間的變化存在眾所周知的關(guān)系；在這些星系中曾觀測到至少1顆Ia型超新星，這使得它們在利用宇宙距離階梯法測量宇宙膨脹速度中扮演重要的“連接階梯”角色；這些星系距離足夠遠(yuǎn)，以至于哈勃等現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡在這些密集星場中難以分辨出單個造父變星。

這一密集星場問題是否會對宇宙距離梯造成偏差？韋布空間望遠(yuǎn)鏡能夠提出并回答這個問題，答案是響亮的：“不會！”這表明“哈勃常數(shù)危機(jī)”和宇宙膨脹的未解之謎一如既往地存在著，而韋布空間望遠(yuǎn)鏡極大地減少了可能的誤差來源。

然而，韋布空間望遠(yuǎn)鏡最令人震驚的發(fā)現(xiàn)之一可能來自對近鄰亮星北落師門的觀測。北落師門是夜空中最亮的20顆恒星之一，距離我們只有約25光年。它也是一個非常年輕的恒星系統(tǒng)，年輕到它周圍仍有一個富含塵埃的碎片盤，而太陽系在近40億年前就失去了這種塵埃盤。此前，有跡象表明這個系統(tǒng)中可能存在系外行星，因此韋布空間望遠(yuǎn)鏡將觀測時間分配給了一支想要尋找該行星的研究團(tuán)隊。憑借其高分辨率和對長波紅外光的靈敏度，韋布空間望遠(yuǎn)鏡有望直接對該系統(tǒng)中的潛在行星進(jìn)行成像。

然而，觀測結(jié)果卻完全出乎意料。在尋找潛在行星時，韋布空間望遠(yuǎn)鏡卻發(fā)現(xiàn)了：一個內(nèi)部盤，對應(yīng)于內(nèi)行星及類小行星帶；一個外側(cè)環(huán)，類似柯伊伯帶，之前已由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）觀測到；內(nèi)部盤與外部環(huán)之間的兩個間隙，可能是系外行星所在的區(qū)域（盡管韋布空間望遠(yuǎn)鏡未直接觀測到這顆行星）；還有最讓人驚訝的一條中間帶，這在太陽系中沒有任何對應(yīng)物。

這個令人震驚卻又驚喜的發(fā)現(xiàn)正促使我們提出一個從未想到的問題：一個典型的恒星系統(tǒng)究竟有多少個“帶”結(jié)構(gòu)？我們擁有的兩個帶（小行星帶和柯伊伯帶）是常見的，還是不常見的，抑或是一種宇宙罕見現(xiàn)象？

從宇宙學(xué)視角來看，韋布空間望遠(yuǎn)鏡既向我們展示了許多意料之中的現(xiàn)象，也帶來了大量的驚喜。它打破了多項宇宙學(xué)距離紀(jì)錄：最遙遠(yuǎn)的星系、最遙遠(yuǎn)的星系團(tuán)、最遙遠(yuǎn)的紅超巨星、最遙遠(yuǎn)的引力透鏡以及最遙遠(yuǎn)的超大質(zhì)量黑洞等。但是它告訴我們的有關(guān)宇宙的知識，尤其是在宇宙演化方面，還包含了在韋布空間望遠(yuǎn)鏡向人類展示其發(fā)現(xiàn)潛力之前沒人能預(yù)料到的驚喜。

像太陽系一樣的恒星系統(tǒng)一般會有兩個帶、三個帶，還是其他數(shù)量的帶？哪種結(jié)構(gòu)最為普遍？（在韋布空間望遠(yuǎn)鏡之前我們并未想到這一問題。）

恒星形成時會孕育哪些類型的非恒星系統(tǒng)？超級木星質(zhì)量行星和包含木星質(zhì)量二體天體的系統(tǒng)僅僅是冰山一角嗎？在韋布空間望遠(yuǎn)鏡之前，我們并不知道木星質(zhì)量雙星天體的存在。

宇宙中的超大質(zhì)量黑洞究竟是如何形成的？韋布空間望遠(yuǎn)鏡的這些發(fā)現(xiàn)是否排除了它們由第一代恒星形成的可能性？答案似乎是肯定的，令人難以置信！

隨著造父變星的密集星場問題被排除在“哈勃常數(shù)危機(jī)”的成因之外，這一現(xiàn)象的最終解釋是什么？這一問題仍未解決，但已排除了一個可能的干擾因素。

盡管韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測到的最早期星系的數(shù)量和亮度最初令人驚訝，但這些星系與我們宇宙的“共識圖景”是否真正一致？答案似乎也是肯定的，這些星系的特性主要?dú)w因于爆發(fā)式恒星形成和超大質(zhì)量黑洞活動對光的增強(qiáng)效應(yīng)。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)為我們提供了大量有關(guān)宇宙的信息，包括宇宙是什么樣的、它是如何成長起來的以及它是如何創(chuàng)造出與太陽系既不同又相似的恒星和行星系統(tǒng)的。在未來約20年的科學(xué)運(yùn)行中，唯一能確定的是，韋布空間望遠(yuǎn)鏡所創(chuàng)下的紀(jì)錄、提出并開始回答的科學(xué)問題，都預(yù)示著未來還將會有更多的發(fā)現(xiàn)。

資料來源 Big Think

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本文作者伊森·西格爾（Ethan Siegel）既是一位天體物理學(xué)家，也是一位科學(xué)作家，其科學(xué)作品屢獲大獎。