看完热闹看门道：韦布空间望远镜首批“太空靓照”的真正内涵

曾经的“鸽王”詹姆斯·韦布空间望远镜如今已经马力全开。图片来源：NASA/GSFCCIL Adriana Manrique Gutierrez

• 导读：

素有“鸽王”“最强天空之眼”之称的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST）终于发布了其第一批科学数据和图像，这一事件为什么值得关注？它又看到了哪些新的信息？国家天文台戴昱研究员为我们揭开了韦布望远镜首批数据的真正内涵。

撰文 | 戴  昱（国家天文台）

责编 | 吕浩然

北京时间2022年7月11凌晨5点，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）“预热”发布了第一张经过官方处理的科学图像。7月12晚10点30分，JWST又通过多个平台直播，发布了其首批公开图像及光谱。这批图像显示了目前世界上最大的空间红外望远镜（6.5米）在马力全开状态下超强的图像分辨能力、超深的视场和超精的光谱解析力，也昭示了红外天文学正式迈入新的时代，正如JWST官网上所说，“一个全新的红外宇宙正在缓缓摘下它的神秘面纱。”[1]

比起大家更熟悉的可见光宇宙，裸眼不可见的红外波段一方面示踪着宇宙中大量尘埃的热辐射，另一方面对应着被宇宙膨胀带来的多普勒效应所拉长（红移）的、早期宇宙的紫外和可见光。因此，红外天文可以帮助我们看到更远、更暗、更年老的星系，对于研究茫茫宇宙中的行星、恒星、各类星系的形成和演化，乃至整个宇宙的历史都极为重要。

自2021年12月25日成功发射升空以来，JWST经历了1个月的展镜，及后续近5个月的在轨仪器调试（包括镜面对齐、调焦、图像合成、相位对齐等多个步骤的反复调测），终于在今年的6月初，所载各仪器开始逐步进行科学观测。

图1：JWST于今年4月底发布的四大仪器及导向感应器的对焦测试结果。图片来源：webbtelescope.org

而此次发表的首批科学数据，包括了从地外行星、星云、相互作用星系到星系团的不同尺度的天体。这批被选中的天体，不仅展示了JWST强大的观测能力，也完美契合了其设计时的四大科学主旨：早期宇宙、不同时代的星系、恒星的生命周期，以及外面的世界（系外行星）。

需要注意的是，这批彩色图像经由多个波段的照片合成（非真实颜色，天文上称为“伪色图”，由蓝到红仅代表了波长的由短渐长），充分展现了JWST远超于其前驱红外望远镜斯皮策（Spitzer Space Telescope, SST）和哈勃（Hubble Space Telescope, HST）的分辨率和测量精度，更揭示了各类天体的海量细节。

图2：JWST（右图）和SST（左图）在相近波段的红外分辨率对比，可以看出JWST的成像清晰显示了错落在弥散尘埃带的明亮恒星。图片来源：webbtelescope.org

#1：韦布深场 SMACS 0723

图3：JWST12.5小时曝光（右图）与HST上百小时曝光（左图）对SMAC0723深场的对比图，白框标出了几处差异的示例：早先光学暗的位置看到了明亮的红外源，原本断开的独立源被发现是引力透镜产生的连续光弧等等。图片来源：webbtelescope.org

图4：韦布深场近红外相机图像NIRCAM（左）结合近红外光谱NIRSPEC（右）。图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI

这张被称为“韦布深场”的宇宙空间，在地面上看来，大约只有“臂长距离的一粒沙大小”(https://webb.nasa.gov/content/webbLaunch/whereIsWebb.html)。其中数以千计的星系，以惊人的细节展现在世人面前，既探知了许多之前哈勃深曝光中仍被遗漏的遥远深空星体，也揭示了不少已知星系的更高清图像。JWST通过前所未有的红外光谱分辨能力，新认证了多个位于宇宙早期的星系，其中最早的星光距离大爆炸发生仅仅过去5亿年，体现了JWST观测早期宇宙的能力。

这张图上最引人注目的，莫过于大量被大质量星系团的引力场所扭曲的遥远星系，前场星系团的暗物质晕通过引力透镜效应扭曲、放大了背景中的这些遥远星体，有助于天文学家更准确地计算其质量等物理性质——即使对韦布而言，没有这些放大镜，那些遥远暗弱的星系发出的光仍然可能过于微弱，难以探测。

#2：船底座星云 Carina Nebula

图5：HST对船底座星云的观测全景合成图显示了这是一个正在发生丰富而复杂的恒星形成的区域

图6：HST（上）和JWST（下）对船底座星云中年轻的恒星形成区NGC2344边缘的观测，显示了正在孵孕恒星的丰富的尘埃带。图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI

位于南天的船底座中的离地球约7600光年的星云，是天空中最大和最亮的星云之一。其中包含着丰富的尘埃，正在见证大量的恒星形成。这里同时也拥有银河系中质量最大和最明亮的恒星，最著名的莫过于两极带有巨大红色“侏儒星云”的海山二恒星系统。JWST对这一天区中著名星云NGC3324边缘（的）尘埃带的观测，除了记录下被年轻恒星的辐射蚀刻出的尘埃“山谷地貌”外，也显示了更多原本被尘埃遮蔽的年轻恒星（白框和白圈处为示例）。

#3: 系外行星 WASP-96b

图7：JWST的中红外仪器MIRI记录下的WASP-96b 大气光谱，明显看到了水分子。图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI

这是首批数据发布中唯一的一个不带图像的光谱发布，显示了距地球1150光年外、于2014年发现的一颗系外行星WASP-96b的行星大气成分，这是目前得到的最精细的行星大气光谱。这颗巨大的气体行星质量约是木星的一半，以3.4天的周期环绕着它的“太阳”公转。尽管HST也曾经观测到行星大气中的水分子，这颗气体行星的大气成分中揭示了更多的水分子谱线细节，JWST将极大地助力人类对上千光年外的系外行星进行探索，寻找潜在的宜居星球。

#4：南天指环星云 Southern Ring Nebula

图8：JWST对南天指环星云的近红外相机NIRCAM成像（左）和中红外仪器MIRI成像（右）。图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI

这是一颗由正在死亡的恒星喷射的物质在周围形成的行星状星云NGC3132，又名“南天指环星云”，距地球约2500光年。这一团星云的直径已达半个光年（约4.73×10¹²千米）大小，并仍在不断地缓慢膨胀中，像是给恒星的死亡加上了慢镜头，直至千万年后星云完全地弥散融入星际介质。由于可以明显看到两个相套的指环状星云，天文学家一直怀疑死亡的恒星处在一个互相环绕的双星系统中，但另一颗星很可能被尘埃严重遮挡。除了展现星云中气体和尘埃的繁复结构外，JWST的中红外成像第一次揭开了包裹在这颗恒星外的面纱，向世人证实了这第二颗星的存在（右图中间的红点）。

#5：斯蒂芬五重奏 Stephen's quintet

图9：HST（上）和JWST（下）观测到的“斯蒂芬五重奏”。图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI

1877年发现的、位于2.9亿光年外的“斯蒂芬五重奏”是人类最早发现的致密星系团结构，其中右侧的四个星系正反复经历着彼此邂逅、碰撞、分离的烂漫共舞。JWST发布的“斯蒂芬五重奏” 是这批图像中天区最大的，地球上看约相当于1/5的满月大小。相比于HST，JWST不仅给出了更多的尘埃细节，包括右侧被星系碰撞出的红色尘埃“项链”结构——其中的新生恒星清晰可见，更以超高的解析度给出了在引力作用下被撕裂的巨大潮汐尾（上侧白色光晕）的前所未有的细节。宇宙中还有千千万万类似的并合星系系统，JWST必将在未来为理解星系的相互作用和演化提供更多直观的观测证据。 

目前释放的只是JWST的第一批图像，但其已经充分向我们证明了JWST“无中观有”，“有中见精”的强大本领，不仅看到了更暗弱的星体，也发现了更细致的结构。“欲穷千里目，更上一层楼”，创新的设计、先进的光学红外探测器、精密的机械工程，以及几十年的统筹规划、几代人的魄力和坚持，推动着红外天文学迈上了新的台阶，看向了更遥远的宇宙。

近二十年来，中国的天文观测事业获得了长足的进步，包括郭守敬望远镜LAMOST（光学）、贵州天眼FAST（射电）、慧眼空间望远镜（X射线）等皆取得了优异的成果，还有正在筹划中的中国空间站望远镜（紫外光学）、宽视场光谱巡天望远镜MUST（光学）、爱因斯坦探针EP（X射线）等等。可喜的是，这些我国自主研发的“国之重器”为我们提供了探测宇宙的多个视角，成果颇丰；但可惜的是，在红外天文方向，我们与JWST之间，还有着从仪器研发的人才储备、红外探测器的精度，到设计决策层面（如接受项目延期10多年的容忍度和坚定信念）的巨大差距，诚可谓任重而道远。

人类的视线，正随着由JWST所领衔的新一代红外望远镜的成功运行，望向太阳系，望向系外行星，望向亿万颗“太阳”，望向第一批星系，直至大爆炸后的第一缕光。

观测天文的新时代已经开启。也希望有生之年，能够看到中国自己的红外空间望远镜占领天文观测高地，带领全人类探索未知的宇宙。

• 作者简介

戴昱，国家天文台研究员，博士生导师。研究方向为星系的形成与演化，主要工作集中在利用多波段特别是红外数据对大质量黑洞和宿主星系的观测研究。

• 参考文献

[1] https://www.nasa.gov/webbfirstimages 

[2] https://webb.nasa.gov/

[3] 哈勃图像如无特别注明，皆来自于：NASA/ESA/ The Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA)

[4] https://johnedchristensen.github.io/WebbCompare/

• 其他注解

NIRCam  近红外相机

NIRSpec 近红外光谱仪

MIRI  中红外仪器

FGS/NIRISS  近红外相机和无缝光谱

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