韦布太空望远镜大显身手，令天文学家叹为观止丨Engineering

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2023年第3期

作者：Mitch Leslie

来源：Webb Space TelescoPE Hits Its Stride,Dazzling Astronomers.Engineering,2023,22(3):3‒6.

编者按

2021年12月25日，美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局联合研发的红外线观测用空间望远镜——詹姆斯·韦布太间望远镜发射升空。韦布太间望远镜由18片巨大六边形子镜构成，主镜口径6.5米，质量6.2吨，经数千名科学家与工程师花费20余年精心设计建成，是有史以来人类建造的功能最强大的空间望远镜，可有效接收到0.6-28.3微米的光线波段，主要用于调查作为大爆炸理论的残余红外线证据，观测今天可见宇宙的初期状态。

中国工程院院刊《Engineering》2023年第3期发表《韦伯太空望远镜大显身手，令天文学家叹为观止》一文。文章介绍了目前詹姆斯·韦伯太空望远镜的运行情况，总结了詹姆斯·韦伯太空望远镜发射后在宇宙观测等方面带来的的新发现和新威胁，展望了未来的发展和应用前景。

2021年排除一系列复杂技术障碍后，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）开始运作，它捕捉到的图像让天文学家们叹为观止（图1和图2）。美国亚利桑那州图森市亚利桑那大学斯图尔德天文台副研究员Christopher Willmer从2007年起便一直从事该项目的研究，他表示：“我们能看到的东西简直超乎想象。”

图1. 距离地球约五亿光年的环形车轮星系。JWST的中红外仪器（MIRI）对该星系的辐条进行勾勒，这些辐条充满碳氢化合物和硅酸盐尘埃。

来源：美国国家航空航天局（NASA）；太空望远镜科学研究所（STSI）（公共领域）。

图2. 距地球约161 000光年的狼蛛星云，该星云为一处恒星诞生区。在用JWST的近红外相机（NIRCam）仪器拍摄的这张图片中，有一簇年轻的恒星在中心附近发出耀眼的光芒。

来源：NASA；STSI（公共领域）。

在最初观测的几个月中，JWST发现了数量惊人的早期星系，而这一发现可能会挑战当前人们关于这些星系形成的认知。JWST探测到了太阳系外某个行星大气层中化学反应的最初迹象，这些化学反应主要由星光驱动。它还锁定了一些疑似为宇宙中最早出现的恒星。

尽管1990年发射的哈勃太空望远镜（HST）提供的宇宙视图比之前仪器捕获的更详细，但JWST“比哈勃或其他任何仪器都更先进”，美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的天文学和天体物理学教授Garth Illingworth表示（图3）。Illingworth为20世纪80年代末最早提出使用天基红外望远镜的团队成员之一，这一想法后来演变为利用JWST进行探测。

图3. 2014年，HST拍摄了这张令人惊叹的“创世之柱”照片，该处距离地球约6500光年，为由星际气体和尘埃构成的塔状气体柱（左图）。由于JWST的近红外相机可以穿透这些尘埃，因此揭开了更多新形成的恒星的面纱（右图）。

来源：NASA；STSI（公共领域）。

2021年12月25日，携带JWST的阿丽亚娜号火箭成功发射，这让天文学家们长舒一口气。经过30多年的规划、设计、建造以及延误，这台价值100亿美元的红外望远镜终于开启了太空之旅。美国密歇根大学安娜堡分校的天文学教授Michael Meyer参与了JWST上两台仪器的设计工作，他表示，在知道望远镜是否正常运作之前，科学家们经历了“50天的恐惧期”。在此期间，JWST必须完成一项复杂的编排任务，该任务包括行驶到距离地球1.5 × 107 km的轨道位置，将直径为6.5 m的主镜的18个部分展开并锁定，同时展开遮阳板；遮阳板是一叠看起来很脆弱的反射板，需由8个马达、90根电缆以及大约400个滑轮牵引到指定位置。整个任务过程有344个潜在的单点故障，任何一个故障都有可能使处于部署阶段的望远镜瘫痪。

作为一项工程的胜利，目前全面运行的JWST会利用四种仪器进行宇宙探测。近红外相机（NIRCam）负责捕捉波长0.6~5 μm的光线，中红外仪器（MIRI）对光谱中5~28 μm的波长敏感，近红外光谱仪（NIRSpec）负责波长在0.6~5 μm之间的光线的剖析，近红外成像仪与无缝光谱仪（NIRISS）主要对0.6~5 μm的图像以及0.6~2 μm的光谱进行捕捉。同时，配备的精细制导传感器能使望远镜在收集数据时保持原位。HST可以对红外光谱的一小部分进行探测，但是在JWST的帮助下，“我们可以看到更远处的红外线”，Willmer说道。

这种能力使研究人员能够对早期宇宙进行更深入的研究。“我们正在对97%的时间进行回顾。”Illingworth说道。例如，科学家们认为星系出现的时间是在大爆炸后几亿年内，但他们对这些天体知之甚少。早期星系非常遥远，而且由于宇宙正在膨胀，所以它们正快速离我们而去，以致其散发的光线被移到了红外线光谱内。美国得克萨斯大学奥斯汀分校的天文学教授Steve Finkelstein说：“大爆炸之后大约五亿年，星系红移非常严重，哈勃几乎探测不到。”

但这些星系在JWST的镜头下无所遁形，它们的普遍存在表明，在早期宇宙中它们的存在比研究人员预期的更普遍。通过对第一批JWST发送的数据进行分析，Finkelstein及其宇宙演化早期发布科学调查（Cosmic Evolution Early Release Science Survey）项目组的同事们发现了一个蓝色的圆球，它有可能是人类有史以来观察到的最遥远的星系之一，研究人员以Finkelstein九岁女儿的名字将其非正式地命名为梅西星系。研究小组暂时推定梅西星系的形成时间为大爆炸后的3.73亿年左右。

经过对JWST数据的仔细研究，科学家们也发现了一些大约在同一时期内形成的其他星系。Illingworth所在的一个研究小组报告了一个可能在大爆炸后约3.5亿年间形成的星系。Willmer及其同事所描述的两个星系的形成时间约在大爆炸后3.3亿年左右。研究人员表示，JWST很可能会发现更古老的星系。Finkelstein说，望远镜已经提供了关于宇宙历史上这一段时期的重要一课。他说：“星系在宇宙中开始形成的时间非常非常早，甚至比理论模型预测的时间还要早。”天文学家现在需要对这种差异进行解释，其中一种解释是早期恒星可能比它们的后继恒星更亮。

JWST还使科学家们可以对我们太阳系以外的行星，也就是所谓的系外行星进行更仔细的观察，并对它们的大气层分析，寻找可能表明生命存在的分子。对当行星从其恒星前面经过时穿过大气层的光线进行分析是确定系外行星大气层化学构成的标准技术。JWST的红外仪器可以从拍摄的大气层光谱中分辨出更多的细节，进而提供更多关于大气层组成成分的信息。

在运行的第一年，该望远镜将会对大约70颗系外行星进行观察，但就目前来看，它已经取得了多项令人瞩目的发现。它的早期观测目标之一是一颗距离地球约700光年，被称为广角行星搜索（WASP）-39b的行星。在分析中研究人员在该行星上发现了二氧化碳的存在，这是研究人员首次在太阳系以外的行星大气中检测到该气体。“我们也曾怀疑过二氧化碳的存在，但包括HST在内的旧仪器提供的证据并不能明确佐证。” Meyer说，“JWST提供的数据很强大，它们给了我们信心，让我们相信这个鉴定是可靠的。”通过对这颗质量与土星大致相同的WASP-39b行星进行进一步观察，研究人员发现了系外行星大气层中由星光驱动的化学反应的最初迹象。这种化学反应同样也发生在地球的大气层中，臭氧层便是该反应的产物。

JWST同样为暗物质探测的研究带来了曙光，宇宙的90%都是由这种看不见的物质构成。暗物质会凝聚成团块，称为光晕，光晕可以改变星系的形成以及恒星的运动，但这种结构很难被确定。美国加利福尼亚大学默塞德分校物理学助理教授Anna Nierenberg及其同事正在利用JWST搜索暗物质晕。为了探测到这些隐藏的结构，研究人员将重心放在研究它们对从遥远天体（类星体）发出的光的影响。Nierenberg表示，这些光线在经过一个光晕附近时，光晕的引力会将光线弯曲，这种效应被称为引力透镜，引力透镜可以产生类星体的多个像。

研究人员希望寻找到从类星体的一小部分发出的光，但是在使用JWST之前，他们没有一台具有足够空间分辨率的望远镜来对多个像进行探测，因为这些光被远远地移到了红色光谱领域，Nierenberg说道。但现在她和她的同事可以通过JWST进行观测，他们已经发现了光晕引力透镜的初步证据，并希望在2023年发布更详尽的分析结果。如果研究人员发现了光晕的广泛存在，这将成为支撑暗物质构成的主要解释之一，即冷暗物质假说。

但一些研究人员认为，对于JWST早期的一些令人惊叹的发现，人们应谨慎对待，因为该望远镜仍在进行校准。例如，位于美国新泽西州皮斯卡塔韦的罗格斯大学物理及天文学助理教授Kristen McQuinn及其团队利用一个名为球状星团的星团对JWST的近红外相机进行训练，该星团通常也被用作对