8個事實,韋伯太空望遠鏡已經在天文學領域,掀起了一場革命

2023年11月05日09:34:09 科學 1948

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這是一位藝術家對詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的描繪。

(圖片來源:ESA/ATG medialab)

1. 讓我們 看向更遠的過去

2. 究竟 是什麼照亮了宇宙

3. 測量系外行星大氣

4. 尋找生命的線索

5. 宇宙化學和星系演化

6. JWST太陽系的研究

7. 恆星是如何形成的呢

8. 太空望遠鏡建造有史以來最雄心勃勃、最昂貴的太空望遠鏡,向地球遠離太陽一側的L2拉格朗日點發射,已經一年了!

耗資100億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(韋伯或JWST),自夏天以來就一直在大量提供驚人的天文數據,它的鏡子和遮陽板成功導航344個潛在故障點。

觀測不到6個月,就有了變革性數據,科學家們已經利用這些數據做出了幾個重要的突破性發現。

在發射前,JWST就被譽為「革命性」的望遠鏡,現在也已經開始運作了,我們來看看它已經成功地改變了天文學的許多方面

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上圖是JWST觀測到的兩個高紅移星系的特寫。

一個是紅移10.5,另一個是12.5,大多數前景星系是一部分Abell 2744星團

(圖片來源:NASA/ESA/CSA/T。Treu (UCLA))

要觀察來自最遙遠星系的珍貴稀有光子,望遠鏡越大越好——太空望遠鏡沒有比JWST更大的了,因為它有21英尺(6.5米)的主鏡。

但這隻完成了一半的工作,因為物體越遠,它的光就越紅移。

一個星系離我們越遠,根據宇宙的膨脹,它遠離我們的速度就越快,所以它發出的光就被拉伸更多,向更紅的波長移動。

最遙遠的星系,也是目前我們能看到的最早的星系,發出的光在到達地球時一直轉移到近紅外波長。

正是這種紅移促使科學家們設計了JWST,專門研究近紅外光和中紅外光

大型鏡子和紅外視覺的結合使JWST能夠看到比天文學家以前看到的更遠、更早的星系,有望改變我們對這些星系形成方式的理解。

在JWST發射之前,已知的最遙遠星系是GN-z11

它的紅移值為11.1,這相當於看到了134億年前的星系,也就是大爆炸後4億年,但是這是JWST之前的望遠鏡所能探測到的絕對極限。

在JWST的第一批數據發布後不久後,這一記錄就被打破了。

天文學家利用前景星系團,如Abell 2744,作為引力透鏡:大質量的天體,如星系團,用它們的引力扭曲空間,產生一種類似放大鏡的效果,放大來自更遙遠天體的光。

天文學家在這些透鏡的背景中,發現了微弱的「紅色污點」——這些「污點」後來被證明是迄今所見最遙遠的星系。

首先是一個紅移為12.5的星系,名為GLASS-z12 (GLASS是一個特定的調查項目的名字,「Grism lens - amplification survey from Space」)。

天文學家計算出,我們看到的這個星系是在134.5億年前存在的,也就是大爆炸後的3.5億年。

紅移更大的星繫緊隨其後。其中一個被稱為梅奇星系,它在大爆炸後僅存在了2.8億年,紅移為14.3,

而另一個紅移為16.7,在大爆炸後僅存在了2.5億年。

甚至有人聲稱存在一個紅移值為20的星系,如果得到證實,它將在大爆炸後僅2億年就存在了。

JWST也在努力確認這些發現,也使用另一種儀器按波長分割光。

天文學家已經證實了一個紅移為13.2的星系,這是我們看到的宇宙只有3.25億年時的情況。

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一位藝術家描繪的宇宙從大爆炸(右邊)到現在(左邊)的路徑,

在此期間,第一批恆星和黑洞產生了足夠的光,結束了宇宙的黑暗時代。

(圖片來源:NASA/STScI)

大爆炸後、恆星和星系形成之前,宇宙是黑暗的,而且籠罩在氫氣霧中。

最終,光,使霧電離,尤其是紫外線輻射。

但是,結束宇宙黑暗時代的光從何而來呢?

天文學家認為,光要麼來自充滿恆星的年輕星系,要麼來自活躍的超大質量黑洞,這些黑洞周圍環繞著由極熱氣體組成的吸積盤,並向太空噴射強大的射流。

星系和黑洞的先後的問題是宇宙學中最大的難題之一,有點像先有雞還是先有蛋的問題。

JWST已經發現,它探測到的早期星系比預期的更亮,結構更強,球狀核心周圍的獨特圓盤已經充滿了恆星。

這一特徵表明,完全形成的星系很快就出現了——但它們是否已經包含超大質量黑洞還有待觀察。

幸運的是,JWST將會回答這個問題,它回答這個問題時,將為早期宇宙的拼圖做成一塊巨大的拼圖。

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這是藝術家對氣體巨星系外行星WASP-39b的繪製,JWST描述了它的大氣層。

(圖片來源:NASA/ESA/CSA/J。奧姆斯特德(STScI))

天文學家現在已經發現了5000多顆系外行星,而且還在不斷增加,但儘管有這麼多驚人的發現,我們仍然對其中許多行星幾乎一無所知。

JWST並不是為了發現新的系外行星而設計的,但它的目標是通過進行一種叫做過境光譜的東西來描繪已知世界的更詳細的圖像。

當一顆行星從它的恆星前面經過時,恆星的一些光會濾過行星的大氣層,大氣層中的分子會吸收部分星光,在恆星的光譜中形成暗線,這是一種類似條形碼的光的波長分解。

為了研究一顆行星的大氣層中的成分,檢驗是否有大氣層,這可以讓天文學家了解一顆行星形成和演化過程,以及大氣層中發生了什麼化學過程。

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上圖,系外行星WASP-39b的大氣組成。

(圖片來源:NASA/ESA/CSA/J。奧姆斯特德(STScI))

早期的結果非常令人鼓舞。

今年8月,天文學家宣布,JWST首次確認在一顆系外行星的大氣中探測到二氧化碳氣體,這顆系外行星距離地球700光年。

在11月,天文學家發布了一個更完整的光譜,顯示了WASP-39b大氣中元素和分子的吸收線,不僅包括二氧化碳,還包括一氧化碳、鉀、鈉、二氧化硫和水蒸氣。

這一發現被認為是迄今為止對系外行星大氣層最詳細的分析。

光譜顯示,火星大氣中的氧含量比碳含量高得多,硫含量也很高。

科學家們認為,硫一定來自WASP-39b在形成時與較小的星子發生的多次碰撞,這為我們提供了行星演化的線索,也可以「暗示」太陽系中的氣體巨星是如何形成的,例如木星土星

此外,二氧化硫的存在是太陽系以外行星上光化學產物的第一個例子,因為當恆星的紫外線與行星大氣中的分子反應時,這種化合物就形成了。

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藝術家對TRAPPIST-1系統中的七顆行星的描繪。(圖片來源:NASA/JPL-Caltech)

對WASP-39b等行星的研究是一項任務,但系外行星科學的目標之一,是找到另一顆像地球一樣宜居的行星,而JWST很好地刻畫了外星世界的特徵,上述對WASP-39b的觀測,也預示了對TRAPPIST-1系統的行星研究。

TRAPPIST-1系統,是由7顆岩石行星組成,它圍繞距離地球40.7光年的一顆紅矮星運行。

其中四顆行星位於該恆星假定的宜居帶,那裡的溫度允許液態水在表面存在;

所以如果條件合適,它們可能在不同程度上適合居住。

JWST最初的觀測集中在TRAPPIST-1c上,這是最容易觀測到的。

模型預測,將有一個類似金星的大氣有大量的二氧化碳。

雖然TRAPPIST-1c太熱以至不適合居住,但依舊需要確定它是否有大氣層;

如果有的話,大氣層中二氧化碳含量,將是描述地球大小世界的一大步。

然而,這也將是一項艱巨的任務,需要用JWST進行100個小時的觀測,這也就意味著,JWST在其科學研究的第一年就要進行大約1萬個小時的觀測。

從TRAPPIST-1c開始,事情可能會變得更加雄心勃勃,JWST的目標是TRAPPIST-1系統中更可能適合居住的其他世界,以及其他附近恆星周圍的類似世界。

天文學家們,也將繼續尋找生物特徵,比如大氣中甲烷氧氣的存在。

在WASP-39b的大氣中發現光化學反應也是重要的一步,有利於推動了碳基分子的形成。

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星系合併,比如圖中的IC 1623,可以推動恆星的形成,從而增加星系的化學丰度。

(圖片來源:ESA-Webb /NASA/CSA/L。Armus & A. Evans)

星空中,一些恆星可以存活數十億年,但另一些恆星只存在很短的時間,然後要麼在超新星中爆炸,要麼膨脹成紅巨星,然後從外層噴射到深空。

在這兩種情況下,恆星會在太空中散布大量由比氫和氦更重的元素形成的宇宙塵埃。

事實證明,星系的質量、恆星形成速率和寬度之間存在某種關係。

在高紅移時,偏離這種關係可能表明星系在早期宇宙中以不同的方式演化。

JWST之前,天文學家只能可靠地測量星系中各種元素的寬度,但是紅移不超過3.3,換句話說,存在於115億年前的星系。

之前,這些重元素在星系中的含量有多高還是個謎,這對JWST來說是一個「沃土」,可以徹底改變我們的認識。

JWST的早期結果表明,恆星形成和質量之間的關係確實在紅移高達8.0的星系中成立,但它們的重元素丰度比預期的低三倍。

這種差異表明,恆星和星系的形成速度比我們意識到的要快,在足夠多的恆星有機會消亡,並將它們的元素分散到宇宙中之前。

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由JWST拍攝的明亮的木星,它微弱的光環和它的幾個小衛星。(圖片來源:NASA/ESA/Jupiter ERC團隊/Ricardo Hueso (UPV/EHU)和Judy Schmidt)

雖然JWST被設計用來探測外太空,但它也可以用來觀察我們最近的「鄰居」。

當JWST指向木星時,天文學家不確定會發生什麼,因為它移動得太快,而且與JWST通常觀測到的暗淡的遙遠星系相比,這顆行星有多亮。

科學家們擔心木星可能會使JWST的探敏器過載,或者用強光抹去微弱的特徵,但結果比想像的要好。JWST的圖像顯示了木星微弱的光環和它的一些小衛星,以及行星的大氣帶和極光。

通過JWST的巨大鏡子提供的高解析度的近紅外光和中紅外光進行觀測,天文學家能夠更深入地觀察木星的大氣層,看看雲頂下面發生了什麼,並了解雲的延伸深度。

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左邊是模擬火星地圖,右邊是JWST拍攝的火星表面熱輻射圖像。

(圖片來源:NASA/ESA/CSA/STScI/Mars JWST-GTO團隊)

JWST還拍攝了遙遠的海王星、土星的衛星土衛六和火星。

雖然JWST對這顆紅色星球的描繪可能不太美觀,但它顯示了火星表面的溫度變化以及大氣中二氧化碳的吸收。

在未來,JWST將觀察火星,追蹤更稀薄的氣體,比如可能源於地質或生物活動的神秘的季節性甲烷羽流。

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JWST拍攝的創世之柱中紅外圖像。

(圖片來源:NASA/ESA/CSA/STScI/J。DePasquale (STScI) / A異教徒(STScI))

哈勃太空望遠鏡最具標誌性的圖像之一是創世之柱——在鷹狀星雲中發現的長達數光年的分子氣體柱。

這些柱子是宇宙的搖籃,恆星在那裡誕生。

JWST重新審視了什麼是創造,在近紅外光和中紅外光下產生的圖像與原始圖像一樣特別。

但新視野,也不僅僅是漂亮的圖片。

JWST的紅外視野能夠穿透支柱中的塵埃,以更好地觀察內部的恆星形成過程,顯示出氣體在坍縮成新生恆星的邊緣。

當這些恆星只有幾十萬歲時,它們開始噴射出侵蝕支柱邊緣的射流。

在其他地方,JWST提供了對這樣一顆被稱為L1527的原恆星的最詳細的觀察,以及它如何與吸積在它上面的氣體相互作用,促使其爆發,清除了蝴蝶星雲中的兩個空洞。

在JWST之前,對年輕恆星的光學觀測是有限的,因為塵埃擋住了它們的光。

無線電和亞毫米觀測可以探測到一些正在發生的事情,以前的紅外望遠鏡只能看到大致的筆畫,但沒有細節。

JWST現在提供了比以往任何時候都更詳細地揭示恆星形成秘密所必需的解析度。

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JWST的6.5米分段反射鏡是一項創新,未來將用於許多大型太空望遠鏡。

(圖片來源:NASA/Chris Gunn)

JWST花了錢才解決很多麻煩,最終進入軌道。

儘管它的設計已經過期多年,超出預算數十億美元,但它的革命性設計為太空望遠鏡開闢了一條新的道路。

特別是它巨大的金色主鏡,由18個六角形部分展開而成,這是一項全新的工程,可以將如此巨大的望遠鏡發射到太空中。

在未來,設計和建造JWST的努力不僅會帶來革命性的科學發現,而且還會啟發下一代大型太空望遠鏡的設計。

美國國家科學院關於未來10年天體物理學優先事項的十年報告建議表示,在21世紀40年代的某個時候,開發一個大型光學和紫外線望遠鏡來取代哈勃望遠鏡,是最優先的項目。

這台望遠鏡的鏡面直徑至少為26英尺(8米),這一壯舉只有通過JWST首創的分段設計才能實現。

火箭的大小不再限制望遠鏡的大小;如果它不適合火箭飛行,那麼望遠鏡可以摺疊起來,就像JWST一樣。

無論這些未來的太空望遠鏡有什麼發現,我們都要感謝JWST。

BY:Keith Cooper

FY:Alina Zhu

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