“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 星系團深空場圖像

▲“韋伯”由阿里安5 號運載火箭發射升空畫面

在經過長達半年多的在軌調試后，美國宇航局終于在2022 年7 月12 日公布了詹姆斯·韋伯空間望遠鏡試運行階段拍攝的首批全彩色圖像與科學數據。寥寥數張照片以其前無古人的細節震驚了全世界，韋伯望遠鏡毫無保留地展示出它傲人的能力。

不同于哈勃望遠鏡專注于拍攝可見光波段，“韋伯”的觀測范圍在紅外波段，是人類肉眼不可見的。因此“韋伯”拍攝圖像的顏色都是由科學家“手工上色”得到的：針對不同紅外波長向可見光波長進行的映射，用人類可以看到的顏色來描述并不可見的紅外色彩，這被稱作“偽色成像圖”。合適的顏色映射能給予人們更震撼的視覺感受，也能為研究它們的科學家提供更加豐富多彩的科研信息。

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

▲ 韋伯望遠鏡測試圖像與前幾代空間紅外望遠鏡對比

遂古洪荒——韋伯深空場

最先公布的是“韋伯”拍攝的首張深空場圖像，拍攝目標是位于飛魚座的SMACS 0723 星系團天區，由“韋伯”的近紅外相機（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空的宇宙密碼。

“韋伯”對準這一暗淡天區進行了12.5 小時的曝光，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，因此稱作“深空場”。韋伯望遠鏡的設計指標之一便是能看到宇宙中最久遠的事件和最遙遠的物體，包括宇宙誕生最初五億年的“第一縷曙光”。

首先你會看到最耀眼的一枚六芒星，仔細觀察還會發現其他相對較小的六芒星。實際上每枚六芒星都是銀河系內距離我們相對較近的恒星，構成了這張照片的前景，不是觀測的主要目標。這些分立恒星的芒角是由一種叫做衍射的光學現象造成的，由于韋伯望遠鏡的主鏡都是六邊形，主鏡的對稱性決定了光線與望遠鏡發生衍射后也會帶有相同六邊形對稱性的芒角。只有銀河系內距離我們相對較近的恒星才會產生明顯的芒角，這有助于科學家分辨光斑歸屬于銀河系內還是銀河系外。

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且巨大的SMACS 0723 星系團了，它距離我們約46 億光年，由成千上百個星系構成，其中不乏與我們銀河系同尺度的巨大星系，每個星系都由上千萬顆恒星組成。相比整個可觀測宇宙半徑的465 億光年，46 億光年的距離并不太過遙遠，因此它們的顏色以相對正常的黃白色表示。但，這也并非這張圖像的重點。

在SMACS 0723 星系團身后更加遙遠的天體是本圖像最動人心弦的元素。在圖中，你可以觀察到一些帶有橙紅色光芒的橢圓斑點。每枚橙紅色光斑都是宇宙最早期的星系，它們形成時宇宙年齡只有10 億年左右。之所以科學家賦予其橙紅色，是因為距離地球更遠的星系發出的光要穿越更長的距離才能到達地球，波長會向低頻方向移動發生“紅移”現象。

▲ 發射直播畫面，這是韋伯望遠鏡留給人類最后的影像

▲ “哈勃”拍攝的SMACS 0723 星系團深空場圖像，曝光時間約10 天

仔細觀察，我們還可以發現一些扭曲的橙紅色圓盤，它們被稱作“愛因斯坦環”，是廣義相對論的直接證據之一。這些遙遠星系發出的光在經過SMACS 0723 星系團時，由于SMACS 0723 星系團巨大的質量導致時空扭曲，沿直線傳播的光在穿越扭曲的時空后也被扭曲了，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。

科學家還通過“韋伯”的近紅外光譜儀（NIRSpec）拍攝了其中48 個星系的特征光譜，通過光譜中氫元素、氧元素等特征譜線的波長數值可以直接確定紅移的程度，進而確定每個星系與我們的距離、誕生的時間。宇宙大爆炸發生于137 億年前，其中最久遠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，這證明它們實際上是同一個星系的雙重像，是引力透鏡效應的另一直觀體現。

▲ 一枚明顯的愛因斯坦環

▲ 引力透鏡效應下，同一個遙遠星系藕斷絲連的雙重像

水的指紋——系外行星光譜

自1992 年天文學家確認存在第一顆系外行星開始，人類就在不斷尋找宇宙中的另一個地球。人類通過火星車等探測器對太陽系內行星進行研究尚有難度，系外行星過于遙遠，對系外行星進行光學成像都是近乎不可能完成的任務。韋伯望遠鏡配備有日冕儀，雖不能獲得系外行星的清晰圖像，但依然可以通過分析系外行星微弱的光譜，對系外行星的大氣成分進行研究，這是目前人類研究系外行星最有力的工具。如果系外行星大氣化學成分與地球相匹配，那里也許具有生命生存的必要條件。

▲ “韋伯”拍攝的四個星系的光譜，更遙遠的星系顯示出更明顯的紅移現象

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

WASP-96b 圍繞母恒星WASP-96 旋轉，是一顆類似木星的氣態巨行星，質量只有木星的一半，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，只有地球與太陽間距的4.5%，其表面溫度高達725攝氏度，氣體受熱膨脹劇烈。同時，觀測數據的波動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周期性地降低1.5%，科學家就是通過這樣的“掩星法”發現的WASP-96b?！绊f伯”每84 秒對其母恒星進行光度測量，并持續6 小時23 分鐘之久，得到了掩星期間母恒星的光變曲線，便可以計算得出這顆行星的半徑、公轉周期、公轉半徑與質量。

▲ 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，通過對比母恒星正常時的光譜與掩星期間的光譜，可以得到不同波長的光被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，吸收特定波長的光，猶如分子的指紋一般獨一無二。WASP-96b 的光譜圖就展現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象，讓我們期待“韋伯”能夠在茫茫星海中找到全然適宜人類生存的地球2.0 吧。

▲ “韋伯”拍攝的斯蒂芬五重奏星系近紅外相機（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，有五個星系共處同一天區內。事實上，最左側的NGC 7320 星系是獨立的，距離我們4000 萬光年；其余四個星系則距離更遠，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（NIRCam）

中紅外儀（MIRI）的核心感光元件

斯蒂芬五重奏星系在1877 年由法國天文學家E·斯蒂芬發現，是有史以來發現的第一個致密星系群?！绊f伯”使用近紅外相機（NIRCam）與中紅外儀（MIRI）對其分別成像，是“韋伯”迄今為止拍攝的最大圖像，由近1000 張單獨圖像拼合而成，整圖超過1.5 億像素。我們可以非常直觀地看到在引力作用下，星系的結構土崩瓦解，星系內氣體與塵埃如天女散花般五彩紛呈，數以百萬計的恒星在這激烈的交響曲中萬象新生。在MIRI 圖像中，紅色代表布滿塵埃的恒星形成區域，藍色表示相對獨立的恒星以及含有碳氫分子的宇宙塵埃，綠色與黃色則代表距離更加遙遠的星系，它們也含有碳氫分子。

斯蒂芬五重奏星系之內的四個星系有朝一日終會合為一體，為天文學家研究星系間的相互作用與星系的合并過程提供了重要參考。天文學家預測在40 億年后，我們的銀河系與距離最近的仙女座星系也會發生類似的碰撞與合并過程。

另一方面，斯蒂芬五重奏星系還能幫助科學家了解星系中心超大質量黑洞對整個星系演化過程的影響。在大型星系的中心一般都存在一個超大質量黑洞，周圍環繞著活動星系核（AGN）。比如銀河系中心的人馬座A＊黑洞，其質量大約是太陽的370 萬倍，而這一個黑洞的存在足以影響整個星系內其余恒星的演化過程。本次觀測，“韋伯”也同時獲取了斯蒂芬五重奏星系內活動星系核的氣體紅外窄波圖像，能夠直接反應出星系中心黑洞活動產生的輻射、物質流與星系內氣體、塵埃的相互作用。

▲ “韋伯”近紅外相機（NIRCam）拍攝的南環星云

總而言之，在你驚嘆于斯蒂芬五重奏星系這場絢爛的宇宙芭蕾時，天文學家同時能在其中解讀我們星系的過去與未來。

凋零之美——南環星云

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

行星狀星云是一類外形呈圓環或圓盤狀的星云，在望遠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，而外層的物質則以極高的速度向外擴散。白矮星不斷向外發射猛烈的紫外輻射，外層物質發生電離產生電磁輻射，形成一朵絢爛的星云。

“韋伯”使用近紅外相機（NIRCam）與中紅外儀（MIRI）對其分別成像。在近紅外相機圖中，外層橙色代表溫度較低的氣體與塵埃，內部藍綠色則代表溫度更高的等離子體。在中紅外相機圖像中，我們可以清楚地發現南環星云的核心實際上有兩顆恒星，其中紅色的一顆是已經死去的白矮星，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，共同譜寫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吹拂下，攪動星云、翻云覆雨，共同締造出南環星云獨一無二的環狀結構。

▲ “韋伯”中紅外儀（MIRI）拍攝的南環星云

▲ “韋伯”近紅外相機（NIRCam）拍攝的船底座星云

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

▲ “哈勃”在可見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 星云是銀河系內的恒星“搖籃”，距離我們大約7600 光年。它的寬度達到460 光年，是銀河系中最大的恒星形成區域。“韋伯”僅僅拍攝了其冰山一角。

在這張動人心弦的圖像中，船底座星云下半部分充滿塵埃，與上半部形成的明顯分界線被天文學家稱作“宇宙懸崖”。在這朵人類難以想象的巨大氣體云和塵埃云之中，新的恒星正在隨時誕生。來自新生恒星的風吹拂宇宙中的塵埃，如大海侵蝕海岸懸崖一般將塵埃雕刻出斷壁殘垣。

▲ 發射前韋伯望遠鏡完整的光學結構

相比“哈勃”在可見光波段拍攝的同天區圖像，“韋伯”拍攝到了更多明亮的恒星，在可見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光波長較長，能夠輕松穿越星際塵埃，因此可以幫助天文學家直擊初生恒星的核心區域，如同獲得了一雙透視眼。

恒星形成的過程一直是天文學界求而不得的問題。一方面，星云內氣體與塵埃受到不穩定擾動時，在引力作用下凝聚為密度更高的原恒星，隨著質量增加其核心被點燃，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，恒星發出的輻射與星風也可能會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區域內形成恒星的數量？“韋伯”對船底座星云的觀測結果將幫助天文學家解答這一重大問題。

征途新啟，未來可期

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。“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無不激蕩出宇宙的火樹銀花。

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的20 余年觀測生涯才剛剛拉開大幕，人類對宇宙的認知將會在“韋伯”的目光下得以剔膚見骨。這批圖像的發布不是對“韋伯”能力的總結，僅僅是它漫漫征途的起點，讓我們一起期待“韋伯”繼續帶我們看一看那聞所未聞的世界。在人們欣賞時感慨“100 億美元真值”的同時，也應當看到：近20 年的研發歷程真值，全球天文愛好者的殷切期盼真值，上百名科學家與工程師的心血傾注真值，人類的好奇心與探索精神真值！