科技日报记者 张梦然
韦布空间望远镜拍摄的船底座恒星形成区。图片来源：美国国家航空航天局（NASA）
毫不夸张地说，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）代表了现代天文学的新纪元。
韦布空间望远镜于2021年12月25日发射升空，自今年7月起全面投入使用，它让我们得以瞥见以前无法进入的宇宙。与哈勃望远镜一样，太空中的韦布空间望远镜可在不受地球大气层扭曲的情况下拍摄细节惊人的照片。
哈勃望远镜在540公里的高度绕地球运行，但韦布空间望远镜距离地球150万公里，距离远远超出了月球。这个位置远离地球反射热的干扰，可以收集来自整个宇宙的光，进入电磁波谱的红外线部分。
这种能力与韦布空间望远镜更大的镜片、迄今最先进的探测器及许多其他尖端技术相结合，使天文学家能够“回望”宇宙最早的时代。
宇宙的膨胀会拉伸向地球传播的光的波长，使更远的物体看起来更红。在足够远的距离上，来自星系的光完全从电磁光谱的可见部分转移到红外线。而韦布空间望远镜能探测到近140亿年前的最早光源。
它的前辈望远镜们，经常被誉为是伟大的科学仪器，但韦布空间望远镜执“红外之剑”，以更高的灵敏度和清晰度望向了更远的世界。在它工作的第一年，韦布空间望远镜拍摄了大量的宇宙奇观，展示了其拥有的惊人力量。
韦布空间望远镜的第一张公开发布的比对图像。天文学家将其与地球上暗能量相机拍摄的右侧天空同部分先前图像进行比较。图片来源：
NASA/STScI/LegacySurvey/C. Jacobs
尽管在地面上进行了多年测试，但像韦布空间望远镜这样复杂的天文望远镜，部署在寒冷和黑暗的太空中后，还需要进行大量的配置。
最大的任务之一是将18个六角镜片段展开并对齐到光波长的一小部分范围内。3月，美国国家航空航天局（NASA）发布了第一张完全对齐的镜片的图像（以恒星为中心）。虽然这只是一张校准图像，但天文学家们立即将它与那片天空的现有图像进行了比较。
该图像显示了红外线中“创生之柱”的一部分；左边是斯皮策空间望远镜拍摄的，右边是韦布空间望远镜拍摄的。深度和分辨率的对比是戏剧性的。图片来源：NASA/JPL-Caltech（左），NASA/ESA/CSA/STScI（右）
这张早期图像是在所有相机都对焦时拍摄的，清楚地展示了韦布空间望远镜与其前辈相比在数据质量方面的阶跃变化。
左边是斯皮策望远镜的图像，这是一个带有85厘米反射镜的天基红外天文望远镜；右边来自韦布空间望远镜的中红外MIRI相机和6.5米反射镜的相同视野。其展示了探测更暗源的分辨率的能力，数百个可见星系在斯皮策图像的噪音中都消失了，韦布空间望远镜让它们“重见天日”。
SMACS 0723星系团——左边是哈勃望远镜拍摄，右边为韦布空间望远镜拍摄。韦布空间望远镜的红外图像中还可看到数百个星系。图片来源：NASA/STSci
SMACS 0723星系团是韦布空间望远镜向公众发布的第一批彩色图像之一。
这个距离地球超过40亿光年的巨大星系团的总质量使空间弯曲，使得背景中来自遥远光源的光被拉伸和放大，这种效应被称为引力透镜效应。
这些扭曲的背景星系在这张图片中可清楚地看到线条和弧线。该区域在哈勃图像（左）中已经非常壮观，但韦布空间望远镜近红外图像（右）揭示了海量额外的细节，包括数百个太暗或太红而此前无法被探测到的遥远星系。
哈勃望远镜（左）和韦布空间望远镜（右）拍摄的“斯蒂芬五重奏”星系群的图片。图片来源：NASA/STScI
这些图像描绘了一组壮观的星系，被称为“斯蒂芬五重奏”。长期以来，天文学家一直对研究碰撞星系在引力下的相互作用方式感兴趣。
左边是哈勃视图，右边是韦布空间望远镜中红外视图。对比图显示了新望远镜的功率，放大处是一个背景小星系。在哈勃图像中，天文学家看到了一些明亮的恒星形成区域，但只有韦布空间望远镜才能揭示这个星系和周围星系的完整结构。
哈勃望远镜（左）和韦布空间望远镜（右）捕捉到的“创生之柱”是银河系的一个恒星形成区。图片来源：NASA/ESA/CSA/STScI/Joseph DePasquale (STScI)/Anton M. Koekemoer (STScI)/Alyssa Pagan (STScI)
所谓的创造之柱是所有天文学中最著名的图像之一，由哈勃望远镜于1995年拍摄。它展示了天基望远镜的非凡范围。
它描绘了鹰状星云中的一个恒星形成区，星际气体和尘埃为充满新星的“恒星托儿所”提供了背景。右边的图像是用韦布空间望远镜的近红外相机（NIRCam）拍摄的，它展示了红外天文学的另一个优势：能够透过尘埃罩窥视藏在其内部和后面的东西。
“沙漏原恒星”，一颗仍在吸积足够气体以开始聚变氢的恒星。右上插图为斯皮策望远镜的分辨率低得多的视图。图片来源：NASA/STScI/JPL-Caltech/ A.Tobin
此图像描绘了银河系内的另一次创造行为。这个沙漏形结构是一团尘埃和气体，围绕着一颗正在形成的原恒星L1527。只有在红外线可见，落入的物质“吸积盘”（中心的黑色带）最终将使原恒星聚集足够的质量以开始聚变氢，一颗新恒星将诞生。
与此同时，仍在形成的恒星发出的光照亮了圆盘上方和下方的气体，形成了沙漏形状。天文学家之前对此的观察来自斯皮策望远镜，韦布空间望远镜展现的细节数量是又一个巨大的飞跃。
韦布空间望远镜拍摄的木星红外视图。两极的极光是由来自太阳的带电粒子与木星磁场的相互作用引起的。图片来源：NASA/STScI
韦布空间望远镜的任务是要对宇宙婴儿时期的那些最遥远星系进行成像。因为必须始终背对太阳，韦布空间望远镜无法观察地球或内太阳系的行星，但它可看向外太阳系的部分。它让人们更深入观察到了木星这颗气态巨行星的云层和风暴结构，这张木星的近红外图像中，北极和南极的极光令人难以忘怀。
由于木星相对于恒星的运动方式，这幅图像极难实现，成功证明了韦布空间望远镜出色地跟踪高难度天文目标的能力。
“幻影星系”M74的哈勃可见光（左）、韦布空间望远镜红外光（右）和组合（中）图像。将关于恒星的可见光信息与气体和尘埃的红外图像相结合的能力使人们能够以精致的细节探测这些星系。图片来源：ESA/NASA
这些所谓的幻影星系（M74）的图像揭示了韦布空间望远镜的实力，这里的中间图像结合了哈勃望远镜的可见光和韦布空间望远镜的红外线，使人们能够看到星光（通过哈勃望远镜）以及气体和尘埃（通过韦布空间望远镜）如何共同塑造这个非凡的星系。
“放大”宇宙最早时期之一的星系（右侧图像中央可见的小红点），当时宇宙只有大约3亿岁。这个距离的星系不可能在可见光下被探测到，因为它们发出的辐射已经“红移”到远红外线。图片来源：NASA/STScI/C.Jacobs
尽管这个星系并不是宇宙所能提供的最壮观如画的星系之一，但它在科学上非常有趣。了解这些星系如何在漫长岁月里生长和合并成像银河系这样的星系，是一个关键问题，目前其仍然有许多未解之谜。
正因此，这张视图非常珍贵，这也是只有韦布空间望远镜才能实现的视图。用哈勃望远镜拍摄的这个星系，只会得到空白的图像。
通过组合韦布空间望远镜许多不同的曝光创建的星系团Abell 2744的图像。在天空的这一小部分（满月的一小部分），显示的数千个物体中几乎每一个都是一个遥远的星系。图片来源：内盖夫本古里安大学/GLASS等
此马赛克图像（许多单独的图像拼接在一起）以巨大的Abell 2744星系团（俗称“潘多拉星团”）为中心。韦布空间望远镜可检测到的星系来源的数量和种类之多令人难以置信，除了少数前景恒星外，每个光点都代表一整个星系。
在一片很小的黑暗天空中，其实有无数个星系，这幅图让人们真正了解了宇宙中星系的惊人规模。专业和业余天文学家，都可能愿意对这幅图像慢慢搜索，寻找其中的不同寻常之处、尝试揭开星空背后的谜团。
编辑：王宇
审核：朱丽
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