原創(chuàng) 水兄 果殼

北京時間7月12日晚，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST，以下簡稱韋布望遠鏡）的首批科學圖像正式亮相，它們向我們展示了一個全新的宇宙。

美國航天局公布的詹姆斯·韋布空間望遠鏡首批科學圖像 | NASA/ESA/CSA/STScI

這一刻，幾乎所有人都覺得，25年的漫長等待值了，100億美元的超額花費值了！

我們不妨先分別用一句話概括首批公布的5張圖片：

星系團 SMACS 0723：一臂之遠的一粒沙子中竟然包含了上千個星系；

系外行星 WASP-96b：首次詳細揭示了太陽系外行星大氣中水的特征；

行星狀星云 NGC 3132：展示了垂死恒星的華麗謝幕；

斯蒂芬五重奏星系：撥開云霧，透視了超大質(zhì)量黑洞附近的氣體的速度與組成；

船底座星云：透過濃密塵埃瞥見新恒星的誕生。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡 | NASA

為什么選擇這些目標？

韋布望遠鏡是美國航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）、加拿大航天局（CSA）共同研發(fā)的新一代空間望遠鏡，不僅被認為是哈勃空間望遠鏡的“繼任者”，更被認為是“史上最強望遠鏡”。

早在哈勃望遠鏡發(fā)射前一年，也就是1989年，天文學家就在討論“下一代空間望遠鏡”的概念了，計劃建造一臺口徑更大、工作在紅外或極紫外波段的空間望遠鏡，與哈勃望遠鏡形成互補。

韋布空間望遠鏡（左）與哈勃望遠鏡（右）的外觀對比 | NASA

1996年，韋布望遠鏡開始研制。這是人類設(shè)計過的最大、最復(fù)雜的空間望遠鏡，在它身上應(yīng)用了多項最尖端的科學技術(shù)，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、輕量化光學元件、超精細攝譜儀、全新的熱控技術(shù)等等。

它的主鏡口徑達到6.5米，是哈勃的2.7倍；遮光罩展開后長達21米，相當于網(wǎng)球場大?。凰ぷ髟诓ㄩL為0.6~28.5微米的紅外波段。

韋布望遠鏡（右）與哈勃望遠鏡（左）的主鏡對比 | NASA

這些都意味著韋布望遠鏡有著非同尋常的科學目標——

早期宇宙——擁有紅外視覺的它，將成為一臺強大的“時間機器”，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；

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

恒星一生——紅外線具有穿透塵埃的本領(lǐng)，這讓韋布望遠鏡具備了一副“火眼金睛”，看穿隱藏在塵埃之下，恒星與行星是如何誕生的；

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

如此宏偉的科學目標和巨大的工程難度，使得韋布望遠鏡的研制過程異常艱難。最初計劃2007年發(fā)射的它，直到2021年圣誕節(jié)，才終于如愿起飛，因此它也被許多愛好者戴上了“鴿王”的帽子。

韋布望遠鏡的展開過程 | NASA

在經(jīng)過了150萬公里的長途跋涉，約360個展開動作后，韋布望遠鏡終于進入到自己的工作軌道。又經(jīng)歷了長達數(shù)月的一系列復(fù)雜的鏡片校準和儀器測試，它才終于準備就緒。

韋布望遠鏡的工作軌道，距離地球150萬公里 | Dr. James O'Donoghue

當科學家看到它傳回的第一張照片時，現(xiàn)場一片歡騰，甚至有人被直接感動落淚。韋布望遠鏡的成像質(zhì)量甚至比預(yù)期的還要好！

韋布望遠鏡開工啦！| NASA

首批公布的5張圖片，可以說是全面展現(xiàn)了韋布望遠鏡的卓越性能，為我們呈現(xiàn)了一個前所未見的宇宙。

星系團 SMACS 0723

這是韋布望遠鏡的首張深場圖像，顯示的是一個編號為 SMACS J0723.3?7327 的星系團（可縮寫為 SMACS 0723）。

星系團 SMACS 0723 | NASA/ESA/CSA/STScI

它由數(shù)百個星系共同組成，距離地球大約46億光年——也就是說，韋布望遠鏡收集到的這些光子，在它們從星系團啟程出發(fā)時，我們的地球才剛剛誕生！

圖中容易吸引人眼球的，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。

在那顆亮星的下方，圖片的中央，你能見到幾個明亮的、白色的、呈現(xiàn)圓形或橢圓形的斑點，它們就是星系團的成員。

上圖細節(jié)，注意那些扭曲的紅色弧線，那是被星系團引力透鏡放大的更遙遠的星系 | NASA/ESA/CSA/STScI

在星系團的周圍，你或許已經(jīng)注意到有幾十條細長而彎曲的弧線，像融化了的太妃糖。它們事實上是更遙遠的星系——遠至 100 多億光年外。

它們原本躲在 SMACS 0723 的身后，不過，SMACS 0723 強大的引力作用，使周圍時空發(fā)生扭曲，將遠方星系路過的光掰彎了，于是呈現(xiàn)出多個重復(fù)的像，猶如透過一個凸透鏡進行觀察。

這種現(xiàn)象叫“引力透鏡效應(yīng)”。

星系團 SMACS 0723 部分背景星系的特征譜，它們距離我們都超過100億光年 | NASA/ESA/CSA/STScI

當我們繼續(xù)環(huán)顧四周，會發(fā)現(xiàn)這張圖片中密密麻麻遍布著數(shù)千個模糊的亮斑。它們都是完整的星系，每一個都擁有上千億顆恒星。它們大多位于幾十億光年以外，個別呈現(xiàn)暗紅色的星系，距離我們達到了130億光年。

它們呈現(xiàn)的，是宇宙兒童時期的樣子。

韋布分辨出了131億光年之外一個星系的物質(zhì)構(gòu)成，存在氫、氖、氧等元素 | NASA/ESA/CSA/STScI

值得一提的是，哈勃空間望遠鏡也拍攝過同一天區(qū)，然而哈勃深場圖通常累計曝光時間長達數(shù)天甚至兩周，而擁有巨大鏡面的韋布望遠鏡，僅花了12.5個小時，效果就超過了哈勃。

上圖細節(jié)（左排）與哈勃望遠鏡拍攝同一天區(qū)（右排）的對比 | NASA/ESA/CSA/STScI/c_victor_astro

系外行星 WASP-96 b

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，這顆行星距離恒星只有700萬公里，每3.4天就公轉(zhuǎn)一周，其大小與木星相當，但質(zhì)量只有木星的一半。

根據(jù)這些信息判斷，這應(yīng)該是一顆所謂的熱木星，大氣層頂部應(yīng)該非常熱，可達為1000°C，這樣的高溫使得大氣膨脹。

太陽系外行星WASP-96 b的想像圖，就連韋布望遠鏡也無法直接拍到它的影像 | Astronomy.com

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。這被稱為吸收線，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的大氣成份 | NASA/ESA/CSA/STScI

這張圖片事實上是行星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 大氣中存在顯著的水蒸氣。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。

韋布望遠鏡強大的光譜分辨本領(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)。

通過凌星探測行星大氣成分的原理 | 本文作者

這張圖片驗證了韋布望遠鏡觀測系外行星的能力。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，甚至偵測其有無生命活動跡象。

行星狀星云 NGC 3132

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。

行星狀星云 NGC 3132的近紅外影像 | NASA/ESA/CSA/STScI

上圖由韋布望遠鏡的近紅外相機（NIRCAM）拍攝，由低溫分子氣體和塵埃組成的外層物質(zhì)用橙色表示，中間的藍綠色則是更熱的等離子體。圖中能看出，外層物質(zhì)的結(jié)構(gòu)非常厚實且復(fù)雜。

行星狀星云 NGC 3132的中紅外影像 | NASA/ESA/CSA/STScI

這張圖片則由韋布望遠鏡的中紅外相機（MIRI）拍攝。更長的波長讓我們發(fā)現(xiàn)，NGC 3132 的中心實際上是兩顆恒星，另一顆恒星還沒有走到生命的終點。

行星狀星云 NGC 3132 局部，透過星云能看到更遙遠的星系 | NASA/ESA/CSA/STScI

如此精細的結(jié)構(gòu)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。

有趣的是，紅外線對塵埃具有一定穿透力，這讓我們清楚地看到了星云背后十分遙遠的星系。

同樣是南天環(huán)狀星云，韋布望遠鏡的拍攝效果遠遠超過哈勃望遠鏡 | NASA/ESA/CSA/STScI/Alain Mir

斯蒂芬五重奏星系

斯蒂芬五重奏星系本身就是一個非常有魅力的目標。

實際上它由兩部分組成：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，也就是畫面左側(cè)那個，離地球只有4000萬光年，跟其他4個沒有物理上的關(guān)聯(lián)。

近紅外相機拍攝的斯蒂芬五重奏星系 | NASA/ESA/CSA/STScI

上圖為近紅外相機拍攝的圖像，顯示了該星系群中相對較冷的氣體和塵埃。紅色部分是在NGC 7318 a 和 b （畫面中央）兩個星系劇烈碰撞過程中被甩出去的物質(zhì)。經(jīng)過一段時間冷卻后，這些物質(zhì)有機會形成新的恒星。

中紅外相機拍攝的斯蒂芬五重奏星系 | NASA/ESA/CSA/STScI

而在中紅外圖像上，NGC 7139 （上方）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)出強烈的電磁輻射。

相比于哈勃拍攝的斯蒂芬五重奏星系，韋布的照片更清晰地顯現(xiàn)出了星系中的氣體和塵埃 | NASA/ESA/CSA/STScI/Philippe Smet

船底座星云

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。

近紅外相機拍攝的船底座星云 | NASA/ESA/CSA/STScI

這張圖同樣也是近紅外相機所拍。山巒一樣的結(jié)構(gòu)是星云里的氣體和塵埃。畫面頂端顯示出一些質(zhì)量巨大、非常明亮的恒星，它們吹出的星風侵蝕著氣體和塵埃，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。

這張照片也被很多網(wǎng)友認為是首批5套圖片中最美的一張。很多人的電腦桌面、待機畫面、封面都已經(jīng)換成了這張照片。

中紅外相機拍攝的船底座星云 | NASA/ESA/CSA/STScI

韋布望遠鏡的中紅外相機同樣也拍攝了船底座星云。圖片中粉紅色和紅色的，是正在誕生或剛剛誕生的恒星。

它們中一部分產(chǎn)生了強烈的輻射和星風，將包裹自己的氣體吹走，于是形成了氣泡或空腔；而另一些仍然被形成它們的塵埃物質(zhì)深深包裹著。

事實上，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，韋布望遠鏡以其極高的靈敏度捕捉到了這一美妙時刻。

船底座星云的同一個局部，韋布的圖像比哈勃通透得多 | NASA/ESA/CSA/STScI/Alain Mir

星空之美，美不勝收；宇宙之妙，妙不可言。韋布望遠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，韋布望遠鏡會將我們對宇宙的認知推向一個前所未有的高度，讓我們的視野推向無盡的遠方。

作者：水兄

原標題：《宇宙級“買家秀”，就問你百億美元值不值？》

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