自2021年12月25日成功升空後，韋布空間望遠鏡（“韋布”）邁出的每一步都引發世界眾多媒體與讀者不同程度的關注。經過大約半年的複雜調試，韋布進入試運行階段。2022年7月12日，韋布試運行期間獲得的成果以圖片的方式在直播中被全部公佈。這些精美的圖片震撼了世界。那麼，韋布到底觀測了哪些天體系統，得到了什麼重要的結果？本文將為您解答這些問題。
撰文 | 王善欽
美東時間2022年7月12日上午10時30分（北京時間12日22時30分），NASA、ESA與CSA聯合直播，發佈了耗資百億美元的韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱“韋布”）的第一批全綵色的照片。之所以強調全綵色，是因為此前天文學家已經發布過幾次測試性質的照片，但它們都是單色的。
圖：“韋布”的藝術想象圖。左邊與右邊的背景分別代表深場觀測與系外行星觀測。圖源：ESA
紅外線無法用肉眼看到，所以不論單色還是全綵色都是偽色，即使用我們可以看到的顏色來描述某個波段的紅外線。本文介紹到的紅外線圖像都是偽色成像圖。
韋布於2021年12月25日成功升空。經過持續半年的軌道轉移、望遠鏡展開、鏡片調焦等複雜操作，韋布進入試運行狀態。在調試結束之後，韋布觀測了多個天體系統。經過精挑細選與複雜的數據處理，項目組決定以五個天體系統的圖像作為第一成果對外公佈。
這批照片中涉及五個截然不同的天體系統：針對宇宙早期星系的深場觀測、太陽系外行星、行星狀星雲、相互作用星系與恆星形成區。其中，深場觀測的圖在直播開始前1天已被提前公佈，但其中的光譜圖以及另外四個天體系統的代表性的圖則都在直播時首次被公佈。除了直播時公佈的那些圖，與這些天體有關更多內容（圖片）在韋布的官網上公佈。[1]
接下來，就讓我們仔細梳理韋布發佈的這批珍貴的圖像中的天體的信息，並破解這些圖像背後的秘密。
韋布第一次深場
韋布首批照片中被公佈的第一張是“韋布第一次深場”，由韋布上面的近紅外相機獲得的數據合成而來。因為其特殊的重要性，它獲得了被提前公佈的特殊待遇。
所謂“深場”，指的是望遠鏡持續觀測夜空中的同一片區域，不斷積累天體發出的光。深場一般只針對暗淡的天區，經過長時間觀測，原本看不到的遙遠星系發出的光被積累到足夠多，從而可以在圖像中顯現出來。
除了近紅外相機之外，韋布的中紅外設備（Mid-Infrared Instrument ，MIRI）也拍攝了同一片天區。相比只能探測到近紅外線的各種近紅外儀器，MIRI可以探測到波長更長的中紅外線，因此更容易發現星系中的塵埃。通過研究MIRI得到的中紅外數據，研究人員可以研究韋布深場圖中各種年齡的星系的塵埃的性質，進而探索星系中的塵埃隨時間演化的規律。
韋布的MIRI拍攝的圖像（左）與近紅外相機拍攝的圖像（右）。圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
韋布的這兩張深場圖被稱為“韋布的第一次深場”。由此可見，這還只是開端，後面韋布還會不斷進行深場觀測。為了便於描述，我們下面將這張圖簡稱為“韋布深場圖”。韋布深場圖的正中心是一個編號為“SMACS J0723.3-7327”（簡寫為“SMACS 0723”）的星系團，星系團由成百上千個星系構成。它位於飛魚座，與地球的距離是50億光年（1光年為光在真空中運動1年走過的距離，約為9.46萬億千米）。它發出的光在宇宙中穿行了42.4億年才到達地球。
很多人將這張圖稱為“SMACS 0723星系團的深場圖”。實際上，這張圖的重點並非這個星系團，而是圖中那些五彩斑斕的美麗的小斑點。它們幾乎全都是宇宙早期的星系。它們形成時，宇宙的年齡才10億年左右到幾十億年之間。它們大多數比我們的銀河系小得多，也暗得多。此外，它們離我們非常遠。因為這些原因，這些宇宙早期的小星系幾乎無法被看到。韋布通過長時間觀測來積累它們發出的光子，最終得到了它們的圖像。近紅外相機拍攝的深場圖中的星系達到幾千個。
除了用近紅外相機與MIRI分別得到圖像之外，韋布上的近紅外光譜儀（Near-Infrared Spectrograph）還拍攝了圖像中的48個星系的光譜，從而確定出它們的“紅移”，進而得到它們的距離與它們形成時的宇宙的年齡。近紅外光譜儀有24萬8千個微型快門，可以各自獨立開關，獲取不同波段的輻射，從而形成光譜。[2]它可以同時拍攝150個天體的光譜。[2]
韋布的近紅外光譜儀拍攝的星系中的4個（左）以及其他的光譜特徵（右）。圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
上圖顯示了這48個星系中的4個。這些星系的光譜都有氫線、氧線甚至氖線，天文學家根據這些線的移動程度計算其紅移。線往右移地越厲害的，紅移越大，所處的宇宙的年齡越年輕。左圖中的星系的被放大後放在中間。從上到下，星系分別存在於113億年前、126億年前、130億年前與131億年前的宇宙中。宇宙年齡約為138億年，因此這些星系分別存在於年齡為25億年、12億年、8億年、7億年時的宇宙中。
韋布的近紅外光譜儀拍攝的48個星系中最古老的那個星系的光譜。它存在於宇宙年齡大約為7億年時，其發出的光經過131億年才到達地球。
雖然韋布觀測到的這些星系的年輕程度並未打破此前的記錄（4億年），但這只是韋布的第一此深場觀測。相信韋布未來執行持續時間更久的深場觀測任務時，必然會打破這個記錄，並可能探測到宇宙年齡為2億年時的星系。當然，也許圖中已經有被確認出破了此前記錄的星系，只是未在上圖中顯示。
韋布也因此成為世界上第一個能夠確定極早期星系的化學成分的望遠鏡。通過研究韋布獲得的光譜，天文學家可以測出每個星系的温度、氣體密度與化學成分，並研究這些性質的演化。
韋布深場圖中還有很多明顯的光弧。它們是這麼產生的：一些遙遠的星系發出的光經過星系團SMACS 0723附近或內部，受到星系團或內部的星系的引力作用，產生“引力透鏡”現象，從而形成這些光弧。引力透鏡效應會放大星系的亮度幾倍到十倍以上，使一些連通常的深場模式都看不到的星系得以被看到。
引力透鏡現象不僅會放大天體的亮度（弱引力透鏡），還會使天體產生雙重像或多種像（強引力透鏡）。韋布上面的近紅外成像儀與無縫光譜儀（Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph，NIRISS）拍攝的光譜表明韋布深場圖中有兩條光弧是同一個星系的雙重像；NIRISS得到的光譜還表明，該星系發出的光經過93億年才到達地球。[3]
韋布的近紅外光譜儀拍攝的兩條光弧的光譜表明它們是同一個星系的雙重像。
除了五彩斑斕的遙遠星系與光弧之外，韋布深場圖中還有一些是銀河系中的恆星與星系團SMACS 0723中的星系。前者很好辨認，因為它們帶有芒角。芒角是由於韋布的主鏡自身與副鏡支架的構造導致的衍射而形成，這種芒角對於亮星很明顯。星系團SMACS 0723中的星系也比較好辨認，它們因為比較近，所以普遍偏大，一般用偏白的顏色表示；這些前景星系都只有“工具人”的作用（扎心了）。
韋布並非第一個執行深場觀測的望遠鏡。第一次執行深場觀測的望遠鏡是哈勃空間望遠鏡（以下簡稱“哈勃”）。早在1995年，哈勃上面的WFPC2就執行了“哈勃深場”項目，持續12天觀測一片非常小的黑暗區域，最終得到的舉世聞名的“哈勃深場圖”內顯示出3000多個星系。
此後哈勃單獨執行或參與執行了多個深場項目，其中影響最大的是“哈勃超級深場”項目，其觀測區域是哈勃深場的2倍左右，拍攝到了1萬多個星系。哈勃的歷次深場觀測中觀測到的最古老的是宇宙年齡僅4億年就存在的星系。
系外行星的光變曲線與光譜圖
韋布第一批照片中的天體中的第二個是太陽系外的行星（簡稱“系外行星”）WASP-96b。它於2013年10月被廣角行星搜索（Wide Angle Search for Planets，WASP）項目發現，隨後在2014年被公佈。
這顆行星的母恆星是WASP-96，它距離地球約1120光年，位於鳳凰座方向。它是一顆G型星，觀測研究表明，它的顏色、半徑、質量與温度都類似於我們的太陽，但年齡比太陽大一些。
WASP-96b是一個氣態巨行星，類似於我們太陽系內的木星，其質量是木星質量的0.48倍，半徑是木星半徑的1.2倍。與木星不同的是，它距離其母恆星非常近，距離只有0.0453天文單位（1天文單位等於地球與太陽的平均距離，約1.5億千米），公轉週期只有3.42526天。由於距離母恆星太近，它上面的温度很高。
韋布上的光譜儀NIRISS拍攝了它280個時期的光譜圖，併合成了每個時期的總亮度。每次拍攝曝光時間近1.4分鐘，累計消耗6小時23分[4]。根據這280個數據點，天文學家得到WASP-96的亮度演化曲線（光變曲線，見下圖）。WASP-96的亮度變化是由於被行星WASP-96b週期性地遮擋導致，當它被行星遮擋時，地球上探測到的它的亮度就會略降低；當它不被行星遮擋時，它被探測到的亮度就恢復。這種方法是探測系外行星的主要方法之一（凌星法）。
WASP-96的光變曲線，上面的每個點的亮度由對應NIRISS在對應時期拍攝的光譜合成。根據其亮度的突然週期性降低，可以推斷出有一顆行星圍繞着它運轉並遮擋了它的部分光。圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
雖然光變曲線的凹陷程度看上去很大，但實際上這只是為了便於觀看而畫的圖。實際上，在行星遮擋WASP-96時，後者的亮度值僅下降了1.5%。NIRISS非常靈敏，可以探測到0.02%的亮度變化。[4]
除了拍攝恆星WASP-96的光譜外，NIRISS還拍攝了行星WASP-96b遮擋恆星時的恆星光與行星不遮擋恆星時的星光。前者的星光經過行星大氣後被後者吸收了一小部分，後者則不受損失。比較兩種情況下的星光，就可以得到不同波長的恆星光被行星大氣吸收的比例從1.36%到1.47%不等。[5]通過這些比較，就能得到系外行星大氣的透射譜。下圖為WASP-96b的透射譜。
NIRISS拍攝的系外行星WASP-96b的光譜。
通過不同波長的星光被吸收的比例，研究人員可以確定出行星大氣中的氣體的種類與含量，計算大氣的温度，判斷大氣中是否含有霧等。用模型擬合韋布的NIRISS得到的透射光譜，研究人員初步判定：這顆行星的大氣中含有云，因此抑制了水蒸氣的含量；它的大氣中含有霧；它大氣的温度約為725攝氏度。[5]
作為對比，此前的研究認為這顆行星的大氣中沒有云。顯然，韋布改變了這個結論；此前的研究認為它的大氣的温度達到1285 K，即1012攝氏度，韋布得到的數值大約為這個值的0.7倍。
行星狀星雲：南環狀星雲
韋布被公佈的第一批照片中的第三個天體是南環狀星雲 (NGC 3132)。韋布上面的近紅外相機與MIRI拍攝了它的圖像。南環狀星雲在南天的船帆座方向，與地球的距離約2000光年，因為它顯示出環狀結構，因此得名，與北天的環狀星雲相對應。
韋布的近紅外相機拍攝的南環狀星雲 (NGC 3132)。
南環狀星雲是一對雙星系統中的一顆恆星拋出物質後形成。製造出這個星雲的恆星並不是中心那顆亮星，而是在後者朝向左下的那條的星芒旁邊，勉強可見（如上圖）。[6]正是這兩顆星構成了雙星系統。
星雲中心的亮星在過去不斷通過對其伴星的引力作用，使後者拋出物質，使其形成了這個星雲[6]。過去的研究已經表明，現在很暗淡的那顆星在過去幾千年內至少拋出了八次，因此這個星雲也被稱為“八次爆發星雲”（Eight Burst nebula）。亮星還改變了伴星拋出的這些星雲的形狀與結構，其強光還照亮了星雲的空腔區域。
南環狀星雲屬於“行星狀星雲”。但它們與行星毫無關係，只不過幾百年前的天文學家用望遠鏡觀測時，覺得它們像行星的環，因此這樣稱呼它們。一部分中低質量恆星演化到末期就會拋出外層物質，形成行星狀星雲，中心留下的緻密天體慢慢演化為所謂的“白矮星”。圖中勉強可見的那顆星，將來就會成為白矮星。
上面説的那顆勉強可見的恆星，在MIRI拍攝的中紅外圖像中卻清晰可見，如下圖中紅色表示的那個點。MIRI探測到它，得益於包裹着它的塵埃。熾熱的恆星加熱了周圍的塵埃，後者因為發射出大量中紅外輻射，被MIRI探測到。由於較長時間的曝光，MIRI也拍攝到一些遙遠的星系。
圖：韋布的MIRI拍攝的南環狀星雲 (NGC 3132)。
由於較長時間的曝光，近紅外相機與MIRI都拍攝到眾多非常遙遠的星系，這些星系作為背景點綴在圖像中。我們可以把這它們視為“不那麼深”的深場圖。
在韋布之前，還有大量望遠鏡拍攝過南環狀星雲。下圖為哈勃拍攝過圖像。對比韋布拍攝的圖像與哈勃拍攝的圖像，我們可以發現，韋布拍攝的圖像顯示出更多複雜的結構，也顯得更加不對稱。
哈勃的WFPC2拍攝的南環狀星雲 (NGC 3132) 。圖中區域的寬度約為0.9光年，高度約為0.7光年。圖源：Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA/ESA)
斯蒂芬五重奏
韋布第一批照片中的第四個天體是“斯蒂芬五重奏”。韋布的近紅外相機與MIRI分別拍攝了它。
斯蒂芬五重奏星系位於飛馬座，由五個星系組成。這五個星系看上去是聚集在一起的，但實際上並非如此。圖中左邊那個星系（NGC 7320）與地球的距離大約是4000萬光年，另外4個星系（NGC 7317、NGC 7318A、NGC 7318B與NGC 7319）與我們的距離為2.9億光年。
由韋布的近紅外相機得到的“斯蒂芬五重奏”的數據合成的圖像。STScI
圖中心的兩個星系分別是NGC 7318A與NGC 7318B，它們正在併合過程中。另外兩個星系雖然尚未參與併合，但與其他兩個星系也產生了引力相互作用。其中，下方的NGC 7317與其他三個星系的相互作用相對弱一些，上方的NGC 7319與中間的兩個星系的相互作用很強烈，它們會在“不遠”的將來合併在一起。
星系的引力相互作用甚至併合，會導致星系內的部分氣體與塵埃被壓縮，使它們更快合成出恆星，也使星系成為“星暴星系”，這類星系的形成恆星的速度遠超過普通的星系。另一方面，引力相互作用與併合還會導致星系內的一些氣體、塵埃、恆星甚至星團被拉扯出星系，形成壯觀的氣體流與“星流”，這些都可以在韋布得到的圖像中被看到。
在韋布的MIRI拍攝的圖像（如下圖）中，氣體流與星流更加明顯。此外，MIRI的近紅外圖像還首次揭示出這些星系中的充滿塵埃的區域。圖中的紅色表示充滿塵埃的恆星形成區以及非常遠的星系，藍色點狀源表示被不伴隨塵埃的恆星或星團。藍色彌散源表示包含大量碳氫分子的塵埃。綠色與黃色表示富含碳氫分子的更遙遠的星系。[7]
MIRI還觀測到NGC 7319（圖頂端的星系）核心區域的大量紅外線。它們是大量塵埃發射出來的。NGC 7319是一個活動星系，其核心為活動星系核，核心內部為一個黑洞，其質量是太陽質量的2400萬倍。[7]活動星系核的黑洞周圍包裹着大量的氣體與塵埃，它們發出大量多波段輻射，並不斷被黑洞所俘獲、吞噬。MIRI觀測到的塵埃發出的紅外輻射，為人們限制NGC 7319的塵埃性質提供了重要的信息。
研究星系的併合與相互作用，自身具有重要的意義。而早期宇宙中的星系更加擁擠，併合與相互作用更常見。對這類現象的研究，對於研究早期宇宙中的星系的併合與相互作用、星系的演化也都有重要的意義。
由於曝光時間較長，近紅外相機與MIRI得到的斯蒂芬五重奏的圖像中也都顯示出大量遙遠的星系。它們也可以被視為“不那麼深”的深場圖。
船底座星雲
韋布第一批照片中的天體中的第五個（也是最後一個）是船底座星雲。船底座星雲位於船底座方向、距離地球大約7500或7600光年。它是銀河系中最大的恆星形成區，其寬度達到460光年，裏面正在孕育大量恆星。韋布上面的近紅外相機拍攝了它的西北角區域，該區域的編號為NGC 3324。
在這幅圖中，大量的恆星正在內部形成，有的發出了噴流。已經形成的熾熱的大質量恆星持續發射出的強烈的星風與紫外線，它們驅散了周圍的星雲，重塑了星雲的形態，使其形成峭壁溝壑一般的壯觀圖像。這些“山”與“谷”的大小卻遠遠超過地球上的山。
由韋布的近紅外相機的數據合成的NGC 3324的全綵圖。圖源：NASA, ESA, CSA, and STScI
為了感受這張圖的特殊指出，我們可以將此前由哈勃的ACS與WFPC2採集到的同一區域的可見光數據合成的圖像（如下圖）進行對比。
由哈勃的ACS與WFPC2得到的NGC 3324的可見光數據合成的圖。圖中綠色表示氫發出的光，紅色表示硫發出的光，藍色表示氧發出的光。圖源：NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
對比韋布與哈勃得到的圖，我們會發現，在同樣的區域內，韋布的圖出現了更多閃亮的星星。這些星星都是正在形成中的恆星，它們發出的可見光被塵埃與氣體吸收，後者將吸收到的輻射以紅外線的形式重新發射出來。因此觀測可見光的望遠鏡很難發現躲在塵埃與氣體裏面的新恆星，但觀測紅外線的望遠鏡卻可以通過紅外線探測，捕捉到裏面隱藏的恆星。
哈勃的ACS與WFPC2觀測的主要範圍是可見光，因此無法探測到大量新恆星。而韋布的近紅外相機的觀測波長以近紅外為主，因此可以探測到裏面的大量新恆星。不過，要注意的是，哈勃的一些儀器（如NICMOS與WFC3）也具備觀測紅外線的功能，只是其觀測的波長的極限在2微米左右，短於韋布的近紅外相機的觀測波長極限，更遠短於韋布的MIRI的觀測波長極限。這使得韋布在觀測一些富含塵埃的對象時具有很大的優勢。
一個完美的開端，一個輝煌的未來
韋布發佈的這些精美的圖像為韋布的開場考試交了一份滿分卷。韋布是一個摺疊式空間望遠鏡，且必須發送到距離地球100多萬千米的地方觀測。為了能夠確保其不出意外，項目組的天文學家與工程師們奮鬥了整整25年。
在這25年間，它的發射日期被一次次被推遲，預算一路高漲到100億美元，只因為它沒有第二次機會。從它發射到展開、抵達預定軌道、調試各種儀器、微調對焦，幾百個操作都順利完成，最終它在試運行期間就獲得瞭如此高品質的圖像。
將來韋布將立即執行其正式觀測任務，由於其發射過程非常順利，變軌等過程消耗的燃料較少等原因，它可以在太空中執行20年觀測任務，大大超出了此前預期的5-10年的觀測時限。
我們祝賀韋布的這個完美開端，並預祝其在未來創造出不勝枚舉的輝煌成果，幫助人類破解宇宙與星球的核心秘密。
參考“文”獻
[1] https://webbtelescope.org/resource-gallery/images
[2]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/035/01G7HRYVGM1TKW556NVJ1BHPDZ?page=2&filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97
[3]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/035/01G7HRMY93K0BCCBKCABAQH0V7?page=2&filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97
[4]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/032/01G72W1XZK6A79RJK2Z93D58CD
[5]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/032/01G72VSFW756JW5SXWV1HYMQK4
[6]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/033/01G70BGTSYBHS69T7K3N3ASSEB?page=2&filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97
[7]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/034/01G7DBCJA1M1SSGKDMH7F5XMBE
來源：返樸 科普中國-創作培育計劃