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看完熱鬧看門道，韋布首批“太空靚照”的真正內(nèi)涵 | 賽先生天文

2022/07/13
導(dǎo)讀
馬力全開的它帶給了我們太多驚喜！
曾經(jīng)的“鴿王”詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡如今已經(jīng)馬力全開。圖片來(lái)源：NASA/GSFCCIL Adriana Manrique Gutierrez

  • 導(dǎo)讀：
素有“鴿王”“最強(qiáng)天空之眼”之稱的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，簡(jiǎn)稱JWST）終于發(fā)布了其第一批科學(xué)數(shù)據(jù)和圖像，這一事件為什么值得關(guān)注？它又看到了哪些新的信息？此次，賽先生邀請(qǐng)到了國(guó)家天文臺(tái)戴昱研究員為我們揭開韋布望遠(yuǎn)鏡首批數(shù)據(jù)的真正內(nèi)涵。

撰文 | 戴  昱（國(guó)家天文臺(tái)）責(zé)編 | 呂浩然

北京時(shí)間2022年7月11凌晨5點(diǎn)，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）“預(yù)熱”發(fā)布了第一張經(jīng)過(guò)官方處理的科學(xué)圖像。7月12晚10點(diǎn)30分，JWST又通過(guò)多個(gè)平臺(tái)直播，發(fā)布了其首批公開圖像及光譜。這批圖像顯示了目前世界上最大的空間紅外望遠(yuǎn)鏡（6.5米）在馬力全開狀態(tài)下超強(qiáng)的圖像分辨能力、超深的視場(chǎng)和超精的光譜解析力，也昭示了紅外天文學(xué)正式邁入新的時(shí)代，正如JWST官網(wǎng)上所說(shuō)，“一個(gè)全新的紅外宇宙正在緩緩摘下它的神秘面紗?！?/span>[1]

比起大家更熟悉的可見光宇宙，裸眼不可見的紅外波段一方面示蹤著宇宙中大量塵埃的熱輻射，另一方面對(duì)應(yīng)著被宇宙膨脹帶來(lái)的多普勒效應(yīng)所拉長(zhǎng)（紅移）的、早期宇宙的紫外和可見光。因此，紅外天文可以幫助我們看到更遠(yuǎn)、更暗、更年老的星系，對(duì)于研究茫茫宇宙中的行星、恒星、各類星系的形成和演化，乃至整個(gè)宇宙的歷史都極為重要。

自2021年12月25日成功發(fā)射升空以來(lái)，JWST經(jīng)歷了1個(gè)月的展鏡，及后續(xù)近5個(gè)月的在軌儀器調(diào)試（包括鏡面對(duì)齊、調(diào)焦、圖像合成、相位對(duì)齊等多個(gè)步驟的反復(fù)調(diào)測(cè)），終于在今年的6月初，所載各儀器開始逐步進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。

圖1：JWST于今年4月底發(fā)布的四大儀器及導(dǎo)向感應(yīng)器的對(duì)焦測(cè)試結(jié)果。圖片來(lái)源：webbtelescope.org

而此次發(fā)表的首批科學(xué)數(shù)據(jù)，包括了從地外行星、星云、相互作用星系到星系團(tuán)的不同尺度的天體。這批被選中的天體，不僅展示了JWST強(qiáng)大的觀測(cè)能力，也完美契合了其設(shè)計(jì)時(shí)的四大科學(xué)主旨：早期宇宙、不同時(shí)代的星系、恒星的生命周期，以及外面的世界（系外行星）。

需要注意的是，這批彩色圖像經(jīng)由多個(gè)波段的照片合成（非真實(shí)顏色，天文上稱為“偽色圖”，由藍(lán)到紅僅代表了波長(zhǎng)的由短漸長(zhǎng)），充分展現(xiàn)了JWST遠(yuǎn)超于其前驅(qū)紅外望遠(yuǎn)鏡斯皮策（Spitzer Space Telescope, SST）和哈勃（Hubble Space Telescope, HST）的分辨率和測(cè)量精度，更揭示了各類天體的海量細(xì)節(jié)。

圖2：JWST（右圖）和SST（左圖）在相近波段的紅外分辨率對(duì)比，可以看出JWST的成像清晰顯示了錯(cuò)落在彌散塵埃帶的明亮恒星。圖片來(lái)源：webbtelescope.org

#1：韋布深場(chǎng) SMACS 0723
圖3：JWST12.5小時(shí)曝光（右圖）與HST上百小時(shí)曝光（左圖）對(duì)SMAC0723深場(chǎng)的對(duì)比圖，白框標(biāo)出了幾處差異的示例：早先光學(xué)暗的位置看到了明亮的紅外源，原本斷開的獨(dú)立源被發(fā)現(xiàn)是引力透鏡產(chǎn)生的連續(xù)光弧等等。圖片來(lái)源：webbtelescope.org
圖4：韋布深場(chǎng)近紅外相機(jī)圖像NIRCAM（左）結(jié)合近紅外光譜NIRSPEC（右）。圖片來(lái)源：NASA, ESA, CSA, and STScI

這張被稱為“韋布深場(chǎng)”的宇宙空間，在地面上看來(lái)，大約只有“臂長(zhǎng)距離的一粒沙大小”(https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/whereIsWebb.html)。其中數(shù)以千計(jì)的星系，以驚人的細(xì)節(jié)展現(xiàn)在世人面前，既探知了許多之前哈勃深曝光中仍被遺漏的遙遠(yuǎn)深空星體，也揭示了不少已知星系的更高清圖像。JWST通過(guò)前所未有的紅外光譜分辨能力，新認(rèn)證了多個(gè)位于宇宙早期的星系，其中最早的星光距離大爆炸發(fā)生僅僅過(guò)去5億年，體現(xiàn)了JWST觀測(cè)早期宇宙的能力。

這張圖上最引人注目的，莫過(guò)于大量被大質(zhì)量星系團(tuán)的引力場(chǎng)所扭曲的遙遠(yuǎn)星系，前場(chǎng)星系團(tuán)的暗物質(zhì)暈通過(guò)引力透鏡效應(yīng)扭曲、放大了背景中的這些遙遠(yuǎn)星體，有助于天文學(xué)家更準(zhǔn)確地計(jì)算其質(zhì)量等物理性質(zhì)——即使對(duì)韋布而言，沒(méi)有這些放大鏡，那些遙遠(yuǎn)暗弱的星系發(fā)出的光仍然可能過(guò)于微弱，難以探測(cè)。

#2：船底座星云 Carina Nebula
圖5：HST對(duì)船底座星云的觀測(cè)全景合成圖顯示了這是一個(gè)正在發(fā)生豐富而復(fù)雜的恒星形成的區(qū)域
圖6：HST（上）和JWST（下）對(duì)船底座星云中年輕的恒星形成區(qū)NGC2344邊緣的觀測(cè)，顯示了正在孵孕恒星的豐富的塵埃帶。圖片來(lái)源：NASA, ESA, CSA, and STScI

位于南天的船底座中的離地球約7600光年的星云，是天空中最大和最亮的星云之一。其中包含著豐富的塵埃，正在見證大量的恒星形成。這里同時(shí)也擁有銀河系中質(zhì)量最大和最明亮的恒星，最著名的莫過(guò)于兩極帶有巨大紅色“侏儒星云”的海山二恒星系統(tǒng)。JWST對(duì)這一天區(qū)中著名星云NGC3324邊緣（的）塵埃帶的觀測(cè)，除了記錄下被年輕恒星的輻射蝕刻出的塵?！吧焦鹊孛病蓖猓诧@示了更多原本被塵埃遮蔽的年輕恒星（白框和白圈處為示例）。

#3: 系外行星 WASP-96b
圖7：JWST的中紅外儀器MIRI記錄下的WASP-96b 大氣光譜，明顯看到了水分子。圖片來(lái)源：NASA, ESA, CSA, and STScI

這是首批數(shù)據(jù)發(fā)布中唯一的一個(gè)不帶圖像的光譜發(fā)布，顯示了距地球1150光年外、于2014年發(fā)現(xiàn)的一顆系外行星WASP-96b的行星大氣成分，這是目前得到的最精細(xì)的行星大氣光譜。這顆巨大的氣體行星質(zhì)量約是木星的一半，以3.4天的周期環(huán)繞著它的“太陽(yáng)”公轉(zhuǎn)。盡管HST也曾經(jīng)觀測(cè)到行星大氣中的水分子，這顆氣體行星的大氣成分中揭示了更多的水分子譜線細(xì)節(jié)，JWST將極大地助力人類對(duì)上千光年外的系外行星進(jìn)行探索，尋找潛在的宜居星球。

#4：南天指環(huán)星云 Southern Ring Nebula
圖8：JWST對(duì)南天指環(huán)星云的近紅外相機(jī)NIRCAM成像（左）和中紅外儀器MIRI成像（右）。圖片來(lái)源：NASA, ESA, CSA, and STScI

這是一顆由正在死亡的恒星噴射的物質(zhì)在周圍形成的行星狀星云NGC3132，又名“南天指環(huán)星云”，距地球約2500光年。這一團(tuán)星云的直徑已達(dá)半個(gè)光年（約4.73×1012千米）大小，并仍在不斷地緩慢膨脹中，像是給恒星的死亡加上了慢鏡頭，直至千萬(wàn)年后星云完全地彌散融入星際介質(zhì)。由于可以明顯看到兩個(gè)相套的指環(huán)狀星云，天文學(xué)家一直懷疑死亡的恒星處在一個(gè)互相環(huán)繞的雙星系統(tǒng)中，但另一顆星很可能被塵埃嚴(yán)重遮擋。除了展現(xiàn)星云中氣體和塵埃的繁復(fù)結(jié)構(gòu)外，JWST的中紅外成像第一次揭開了包裹在這顆恒星外的面紗，向世人證實(shí)了這第二顆星的存在（右圖中間的紅點(diǎn)）。

#5：斯蒂芬五重奏 Stephen's quintet
圖9：HST（上）和JWST（下）觀測(cè)到的“斯蒂芬五重奏”。圖片來(lái)源：NASA, ESA, CSA, and STScI

1877年發(fā)現(xiàn)的、位于2.9億光年外的“斯蒂芬五重奏”是人類最早發(fā)現(xiàn)的致密星系團(tuán)結(jié)構(gòu)，其中右側(cè)的四個(gè)星系正反復(fù)經(jīng)歷著彼此邂逅、碰撞、分離的爛漫共舞。JWST發(fā)布的“斯蒂芬五重奏” 是這批圖像中天區(qū)最大的，地球上看約相當(dāng)于1/5的滿月大小。相比于HST，JWST不僅給出了更多的塵埃細(xì)節(jié)，包括右側(cè)被星系碰撞出的紅色塵?！绊?xiàng)鏈”結(jié)構(gòu)——其中的新生恒星清晰可見，更以超高的解析度給出了在引力作用下被撕裂的巨大潮汐尾（上側(cè)白色光暈）的前所未有的細(xì)節(jié)。宇宙中還有千千萬(wàn)萬(wàn)類似的并合星系系統(tǒng)，JWST必將在未來(lái)為理解星系的相互作用和演化提供更多直觀的觀測(cè)證據(jù)。 

目前釋放的只是JWST的第一批圖像，但其已經(jīng)充分向我們證明了JWST“無(wú)中觀有”，“有中見精”的強(qiáng)大本領(lǐng)，不僅看到了更暗弱的星體，也發(fā)現(xiàn)了更細(xì)致的結(jié)構(gòu)?！坝F千里目，更上一層樓”，創(chuàng)新的設(shè)計(jì)、先進(jìn)的光學(xué)紅外探測(cè)器、精密的機(jī)械工程，以及幾十年的統(tǒng)籌規(guī)劃、幾代人的魄力和堅(jiān)持，推動(dòng)著紅外天文學(xué)邁上了新的臺(tái)階，看向了更遙遠(yuǎn)的宇宙。

近二十年來(lái)，中國(guó)的天文觀測(cè)事業(yè)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，包括郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST（光學(xué)）、貴州天眼FAST（射電）、慧眼空間望遠(yuǎn)鏡（X射線）等皆取得了優(yōu)異的成果，還有正在籌劃中的中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡（紫外光學(xué)）、寬視場(chǎng)光譜巡天望遠(yuǎn)鏡MUST（光學(xué)）、愛因斯坦探針EP（X射線）等等?？上驳氖?，這些我國(guó)自主研發(fā)的“國(guó)之重器”為我們提供了探測(cè)宇宙的多個(gè)視角，成果頗豐；但可惜的是，在紅外天文方向，我們與JWST之間，還有著從儀器研發(fā)的人才儲(chǔ)備、紅外探測(cè)器的精度，到設(shè)計(jì)決策層面（如接受項(xiàng)目延期10多年的容忍度和堅(jiān)定信念）的巨大差距，誠(chéng)可謂任重而道遠(yuǎn)。

人類的視線，正隨著由JWST所領(lǐng)銜的新一代紅外望遠(yuǎn)鏡的成功運(yùn)行，望向太陽(yáng)系，望向系外行星，望向億萬(wàn)顆“太陽(yáng)”，望向第一批星系，直至大爆炸后的第一縷光。

觀測(cè)天文的新時(shí)代已經(jīng)開啟。也希望有生之年，能夠看到中國(guó)自己的紅外空間望遠(yuǎn)鏡占領(lǐng)天文觀測(cè)高地，帶領(lǐng)全人類探索未知的宇宙。

  • 作者簡(jiǎn)介
戴昱，國(guó)家天文臺(tái)研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾窍档男纬膳c演化，主要工作集中在利用多波段特別是紅外數(shù)據(jù)對(duì)大質(zhì)量黑洞和宿主星系的觀測(cè)研究。

  • 參考文獻(xiàn)
[1] https://www.nasa.gov/webbfirstimages [2] https://webb.nasa.gov/[3] 哈勃圖像如無(wú)特別注明，皆來(lái)自于：NASA/ESA/ The Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA)[4] https://johnedchristensen.github.io/WebbCompare/

  • 其他注解
NIRCam  近紅外相機(jī)NIRSpec 近紅外光譜儀MIRI  中紅外儀器FGS/NIRISS  近紅外相機(jī)和無(wú)縫光譜

制版｜Livan
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