两周后，韦伯太空望远镜正在重塑天文学

詹姆斯韦伯太空望远镜对 NGC 7496 星系的观察揭示了恒星活跃形成的明亮尘埃和气体通道。

NASA、ESA、CSA 和 STScI

7 月 11 日，拜登总统公布詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 的第一张图像后，马西莫帕斯卡尔和他的团队立即行动起来。

加州大学伯克利分校的天体物理学家帕斯卡尔和 14 位合作者在 Slack 的协助下进行了协调，并分摊了任务。这张图片显示了在天空的一个针孔大小的部分中的数千个星系，其中一些被放大了，因为它们的光线围绕着一个中央星系团弯曲。该团队开始仔细检查图像，希望发表第一篇 JWST 科学论文。 “我们不停地工作，”帕斯卡尔说。 “这就像一个逃生室。”

三天后，就在 arxiv.org 上的每日截止日期前几分钟，科学家们可以上传早期版本的论文，该团队提交了他们的研究。他们错过了 13 秒的第一名，“这很有趣，”帕斯卡尔说。

获胜者，英国杜伦大学的纪尧姆·马勒(Guillaume Mahler) 及其同事分析了同一张 JWST 图像。 “能够获取这些惊人的数据并将其发布，我感到非常高兴，”马勒说。 “如果我们能做的很快，我们为什么要等呢？”

马勒称之为“健康的竞争”，突显了 JWST 已经提供的大量科学数据，几天后科学家们开始从期待已久的红外感应巨型望远镜接收数据。

时间的黎明

JWST 备受吹捧的能力之一是能够及时回顾早期宇宙并看到一些最初的星系和恒星。该望远镜于 2021 年圣诞节发射，现在距离地球 150 万公里，已经发现了已知最遥远、最早的星系。

一个新发现的星系被称为 GLASS-z13，它是如此遥远，以至于我们在大爆炸后 3 亿年才看到它，现在保持着已知最早星系的记录。预计该记录不会持续很长时间。

Naidu 等人、P. Oesch、T. Treu、GLASS-JWST、NASA/CSA/ESA/STScI

两个团队在分别分析 GLASS 调查的 JWST 观测结果时发现了这个星系，这是计划在望远镜进入太空的第一年进行的 200 多个科学项目之一。两个团队，一个由马萨诸塞州哈佛-史密森尼天体物理中心的Rohan Naidu领导，另一个由罗马天文台的Marco Castellano领导，在数据中确定了两个特别遥远的星系：一个距离太远以至于 JWST 检测到了它的光在大爆炸后 4 亿年发射（与哈勃太空望远镜所见过的最古老的星系并列），另一个被称为 GLASS-z13，在大爆炸后 3 亿年出现。 “这将是迄今为止发现的最遥远的星系，”卡斯特拉诺说。

这两个星系看起来都非常小，可能比银河系小 100 倍，但它们显示出惊人的恒星形成速度，并且已经包含了我们太阳质量的 10 亿倍——超过了这个年轻星系的预期。其中一个年轻的星系甚至显示出圆盘状结构的证据。将进行更多研究以分解它们的光以收集它们的特征。

德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家、宇宙演化早期释放科学 (CEERS) 调查的成员丽贝卡·拉尔森 ( Rebecca Larson ) 说，另一个早期宇宙计划也出现了“难以置信的遥远星系”。调查开始几周后，该团队已经从宇宙最初的 5 亿年中收集了一些星系，尽管拉尔森和她的同事们还没有公布他们的确切发现。 “这比我想象的要好，这只是一个开始，”她说。

该望远镜的第一张公开图像显示了一个名为 SMACS 0723 的星系团，它非常重，以至于扭曲并放大了来自远处星系的光。

NASA、ESA、CSA 和 STScI

更多早期星系隐藏在拜登总统提出并由帕斯卡尔和马勒研究的星系团图像中。这个名为SMACS 0723的星团非常重，以至于它会弯曲更远距离物体的光线，将它们带入视野。帕斯卡尔和马勒在图像中发现了多达 16 个被放大的遥远星系；他们的确切年龄尚不清楚。

望远镜仔细观察了图像中的一个遥远星系，这是一种可以追溯到大爆炸后 7 亿年的光斑。 JWST 借助其光谱仪检测到银河系中的重元素，尤其是氧。现在，科学家们希望望远镜能够发现更早的星系中没有重元素——这些证据表明这些星系只包含第III 族恒星，这是宇宙中假设的第一颗恒星，被认为非常巨大，完全由氢和氦构成。（只有当这些恒星爆炸时，它们才会形成更重的元素，如氧气，并将它们喷入宇宙。）

“我们正在寻找没有重元素的星系，”牛津大学的天体物理学家安迪·邦克说。 “对于由原始氢和氦形成的第一代恒星来说，这可能是一支确凿的证据。理论上它们应该存在。这取决于它们是否足够亮。”

银河结构

对于寻求了解星系结构以及恒星如何在其中形成的科学家来说，JWST 已经提供了有影响力的数据。

双联图像，一张显示南环星云，带有一个突出附近星系的小方框，第二张显示该星系的特写

JWST 在星系 NGC 7496 中看到了带状恒星形成通道，这些通道以前被尘埃笼罩，因此在哈勃太空望远镜拍摄的图像中是看不见的。

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由亚利桑那州国家科学基金会 NOIR 实验室的Janice Lee领导的一项观测计划在星系中寻找年轻的恒星形成地点。 JWST 代表 Lee 的团队观察了一个距离我们 2400 万光年的星系 NGC 7496，其年轻的恒星形成区域迄今为止一直被黑暗笼罩。哈勃的仪器无法穿透这些区域周围的厚厚的尘埃和气体。不过，JWST 可以看到从尘埃反射回来的红外光，使望远镜能够探测到接近恒星开启和核聚变在其核心点燃的时刻。 “灰尘实际上正在发光，”李说。

她说，最引人注目的是 NGC 7496 是一个正常的星系，“不是典型的星系”。然而，在 JWST 的密切注视下，它突然变得栩栩如生，揭示了恒星形成的通道。 “这简直太棒了，”她说。

与此同时，亚利桑那州黑暗天空保护公司 Dark Sky Consulting 的天文学家 John Barentine 在 JWST 的第一张照片中发现了一个更为偶然的发现。望远镜拍摄的距离地球 2,500 光年的南环星云的照片显示出惊人的清晰度。在旁边，一个有趣的星系从侧面观察（这是研究星系中心核球的独特有利位置），之前被误认为是星云本身的一部分，它出现在视野中。

在 JWST 的南环星云图像中发现了一个完美的盘状星系。这个独特的有利位置让科学家们可以研究银河系中央凸起的结构。

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“我们拥有这台极其灵敏的机器，它将偶然发现我们甚至不知道我们正在寻找的东西，”巴伦丁说。 “在韦伯拍摄的几乎每一张照片中，都值得在背景中四处寻找。”

观察恒星和行星

较小的目标也在 JWST 的十字准线中，包括我们自己太阳系的行星。作为第一批图像的一部分，木星以华丽的方式出现，曝光时间仅为 75 秒。

天文学家知道木星的高层大气比低层大气高数百度，但他们不确定原因。通过探测红外光，JWST可以看到被加热的高层大气在发光；它显示为地球周围的一个红色环。 “我们在云层上方几百公里处有这一层，它之所以发光，是因为它很热，”莱斯特大学的行星科学家 Henrik Melin 说。 “我们以前从未在全球范围内看到过这样的情况。这是一件非同寻常的事情。”

Melin 的计划计划在未来几周内使用 JWST 来研究这种大气加热背后的驱动力。

木星呈紫蓝色，带有白色条纹；一个薄薄的环环绕着这颗行星，它的一个卫星在它的左边发出明亮的光芒

在 JWST 对木星的 75 秒曝光中，可以看到木星高层大气神秘的炽热光芒。还可以看到木星的薄环及其冰冷的月亮欧罗巴在左侧明亮地闪耀。在行星底部边缘可见的小大气扰动是由与火山卫星 Io 的相互作用引起的。

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隐藏在 JWST 的木星图像中的是火山卫星 Io 与木星的极光相互作用——在行星天空低空的极光中形成了一个小凸起。这张图片显示了“来自木卫一的物质沿着磁场线流动，”梅林说。效果之前已经看到过，但几乎看不到星球一眼，JWST 就很容易就认出来了。

JWST 也在探索其他恒星系统中的行星。望远镜已经窥视了著名的 TRAPPIST-1 系统，这是一颗红矮星，拥有七个地球大小的世界（有些可能适合居住），尽管数据仍在分析中。早期观测已经发布了一颗不太好客的行星，一颗名为 WASP-96 b 的“热木星”，它围绕其恒星运行了 3.4 天的紧密轨道。

JWST 在地球大气中发现了水蒸气，证实了几天前哈佛-史密森尼中心的Chima McGruder及其同事使用地面望远镜报告的水的证据。但JWST可以走得更远；通过观察 WASP-96 b 的碳氧比，它或许能够解开关于热木星的一个令人困惑的谜团：它们是如何围绕恒星获得如此接近的轨道的。更多的氧气表明这颗气态巨行星最初是在远离水可以凝结的恒星的地方形成的，而更高的碳比例则表明它一直都在附近。

与此同时，JWST 可能在天空中发现了一道暂时的光——一种被称为瞬变的短暂事件——它最初的设计并非如此。马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所（JWST 运营中心）的天文学家 Mike Engesser 及其同事注意到了一个在同一区域的哈勃图像中不明显的明亮物体。他们认为这是一颗超新星或爆炸恒星，距离我们大约 30 亿光年——证明望远镜可以发现这些事件。

JWST 也应该能够发现更遥远的超新星，这将为其提供另一种方式来作为早期宇宙的探测器。它还可能发现恒星被位于星系中心的超大质量黑洞撕裂，这是以前的望远镜从未见过的。 “我们将第一次能够观察到这些非常深、黑暗的区域，”太空望远镜科学研究所的天文学家奥里福克斯说，他领导了研究瞬变的团队。

瞬态，就像其他天文现象一样，将被重新定义。经过数十年的规划和建设，JWST已经冲上云霄。现在的问题是要跟上不断涌现的科学，这台机器如此复杂但完美无瑕，几乎不相信它是由人类大脑建造的。 “它很有效，而且很疯狂，”拉森说。

原文： https://www.quantamagazine.org/two-weeks-in-the-webb-space-telescope-is-reshaping-astronomy-20220725/