百亿美元投资获回报:韦布空间望远镜的第一批照片有多强?
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百亿美元投资获回报:韦布空间望远镜的第一批照片有多强?

自2021年12月25日成功升空后,韦布空间望远镜(“韦布”)迈出的每一步都引发世界众多媒体与读者不同程度的关注。经过大约半年的复杂调试,韦布进入试运行阶段。2022年7月12日,韦布试运行期间获得的成果以图片的方式在直播中被全部公布。这些精美的图片震撼了世界。那么,韦布到底观测了哪些天体系统,得到了什么重要的结果?本文将为您解答这些问题。

撰文 | 王善钦

美东时间2022年7月12日上午10时30分(北京时间12日22时30分),NASA、ESA与CSA联合直播,发布了耗资百亿美元的韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,以下简称“韦布”)的第一批全彩色的照片。之所以强调全彩色,是因为此前天文学家已经发布过几次测试性质的照片,但它们都是单色的。

图:“韦布”的艺术想象图。左边与右边的背景分别代表深场观测与系外行星观测。图源:ESA

红外线无法用肉眼看到,所以不论单色还是全彩色都是伪色,即使用我们可以看到的颜色来描述某个波段的红外线。本文介绍到的红外线图像都是伪色成像图。

韦布于2021年12月25日成功升空。经过持续半年的轨道转移、望远镜展开、镜片调焦等复杂操作,韦布进入试运行状态。在调试结束之后,韦布观测了多个天体系统。经过精挑细选与复杂的数据处理,项目组决定以五个天体系统的图像作为第一成果对外公布。

这批照片中涉及五个截然不同的天体系统:针对宇宙早期星系的深场观测、太阳系外行星、行星状星云、相互作用星系与恒星形成区。其中,深场观测的图在直播开始前1天已被提前公布,但其中的光谱图以及另外四个天体系统的代表性的图则都在直播时首次被公布。除了直播时公布的那些图,与这些天体有关更多内容(图片)在韦布的官网上公布。[1]

接下来,就让我们仔细梳理韦布发布的这批珍贵的图像中的天体的信息,并破解这些图像背后的秘密。

韦布第一次深场

韦布首批照片中被公布的第一张是“韦布第一次深场”,由韦布上面的近红外相机获得的数据合成而来。因为其特殊的重要性,它获得了被提前公布的特殊待遇。

所谓“深场”,指的是望远镜持续观测夜空中的同一片区域,不断积累天体发出的光。深场一般只针对暗淡的天区,经过长时间观测,原本看不到的遥远星系发出的光被积累到足够多,从而可以在图像中显现出来。

除了近红外相机之外,韦布的中红外设备(Mid-Infrared Instrument ,MIRI)也拍摄了同一片天区。相比只能探测到近红外线的各种近红外仪器,MIRI可以探测到波长更长的中红外线,因此更容易发现星系中的尘埃。通过研究MIRI得到的中红外数据,研究人员可以研究韦布深场图中各种年龄的星系的尘埃的性质,进而探索星系中的尘埃随时间演化的规律。

韦布的MIRI拍摄的图像(左)与近红外相机拍摄的图像(右)。图源:NASA, ESA, CSA, STScI

韦布的这两张深场图被称为“韦布的第一次深场”。由此可见,这还只是开端,后面韦布还会不断进行深场观测。为了便于描述,我们下面将这张图简称为“韦布深场图”。韦布深场图的正中心是一个编号为“SMACS J0723.3-7327”(简写为“SMACS 0723”)的星系团,星系团由成百上千个星系构成。它位于飞鱼座,与地球的距离是50亿光年(1光年为光在真空中运动1年走过的距离,约为9.46万亿千米)。它发出的光在宇宙中穿行了42.4亿年才到达地球。

很多人将这张图称为“SMACS 0723星系团的深场图”。实际上,这张图的重点并非这个星系团,而是图中那些五彩斑斓的美丽的小斑点。它们几乎全都是宇宙早期的星系。它们形成时,宇宙的年龄才10亿年左右到几十亿年之间。它们大多数比我们的银河系小得多,也暗得多。此外,它们离我们非常远。因为这些原因,这些宇宙早期的小星系几乎无法被看到。韦布通过长时间观测来积累它们发出的光子,最终得到了它们的图像。近红外相机拍摄的深场图中的星系达到几千个。

除了用近红外相机与MIRI分别得到图像之外,韦布上的近红外光谱仪(Near-Infrared Spectrograph)还拍摄了图像中的48个星系的光谱,从而确定出它们的“红移”,进而得到它们的距离与它们形成时的宇宙的年龄。近红外光谱仪有24万8千个微型快门,可以各自独立开关,获取不同波段的辐射,从而形成光谱。[2]它可以同时拍摄150个天体的光谱。[2]

韦布的近红外光谱仪拍摄的星系中的4个(左)以及其他的光谱特征(右)。图源:NASA, ESA, CSA, STScI

上图显示了这48个星系中的4个。这些星系的光谱都有氢线、氧线甚至氖线,天文学家根据这些线的移动程度计算其红移。线往右移地越厉害的,红移越大,所处的宇宙的年龄越年轻。左图中的星系的被放大后放在中间。从上到下,星系分别存在于113亿年前、126亿年前、130亿年前与131亿年前的宇宙中。宇宙年龄约为138亿年,因此这些星系分别存在于年龄为25亿年、12亿年、8亿年、7亿年时的宇宙中。

韦布的近红外光谱仪拍摄的48个星系中最古老的那个星系的光谱。它存在于宇宙年龄大约为7亿年时,其发出的光经过131亿年才到达地球。

虽然韦布观测到的这些星系的年轻程度并未打破此前的记录(4亿年),但这只是韦布的第一此深场观测。相信韦布未来执行持续时间更久的深场观测任务时,必然会打破这个记录,并可能探测到宇宙年龄为2亿年时的星系。当然,也许图中已经有被确认出破了此前记录的星系,只是未在上图中显示。

韦布也因此成为世界上第一个能够确定极早期星系的化学成分的望远镜。通过研究韦布获得的光谱,天文学家可以测出每个星系的温度、气体密度与化学成分,并研究这些性质的演化。

韦布深场图中还有很多明显的光弧。它们是这么产生的:一些遥远的星系发出的光经过星系团SMACS 0723附近或内部,受到星系团或内部的星系的引力作用,产生“引力透镜”现象,从而形成这些光弧。引力透镜效应会放大星系的亮度几倍到十倍以上,使一些连通常的深场模式都看不到的星系得以被看到。

引力透镜现象不仅会放大天体的亮度(弱引力透镜),还会使天体产生双重像或多种像(强引力透镜)。韦布上面的近红外成像仪与无缝光谱仪(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph,NIRISS)拍摄的光谱表明韦布深场图中有两条光弧是同一个星系的双重像;NIRISS得到的光谱还表明,该星系发出的光经过93亿年才到达地球。[3]

韦布的近红外光谱仪拍摄的两条光弧的光谱表明它们是同一个星系的双重像。

除了五彩斑斓的遥远星系与光弧之外,韦布深场图中还有一些是银河系中的恒星与星系团SMACS 0723中的星系。前者很好辨认,因为它们带有芒角。芒角是由于韦布的主镜自身与副镜支架的构造导致的衍射而形成,这种芒角对于亮星很明显。星系团SMACS 0723中的星系也比较好辨认,它们因为比较近,所以普遍偏大,一般用偏白的颜色表示;这些前景星系都只有“工具人”的作用(扎心了)。

韦布并非第一个执行深场观测的望远镜。第一次执行深场观测的望远镜是哈勃空间望远镜(以下简称“哈勃”)。早在1995年,哈勃上面的WFPC2就执行了“哈勃深场”项目,持续12天观测一片非常小的黑暗区域,最终得到的举世闻名的“哈勃深场图”内显示出3000多个星系。

此后哈勃单独执行或参与执行了多个深场项目,其中影响最大的是“哈勃超级深场”项目,其观测区域是哈勃深场的2倍左右,拍摄到了1万多个星系。哈勃的历次深场观测中观测到的最古老的是宇宙年龄仅4亿年就存在的星系。

系外行星的光变曲线与光谱图

韦布第一批照片中的天体中的第二个是太阳系外的行星(简称“系外行星”)WASP-96b。它于2013年10月被广角行星搜索(Wide Angle Search for Planets,WASP)项目发现,随后在2014年被公布。

这颗行星的母恒星是WASP-96,它距离地球约1120光年,位于凤凰座方向。它是一颗G型星,观测研究表明,它的颜色、半径、质量与温度都类似于我们的太阳,但年龄比太阳大一些。

WASP-96b是一个气态巨行星,类似于我们太阳系内的木星,其质量是木星质量的0.48倍,半径是木星半径的1.2倍。与木星不同的是,它距离其母恒星非常近,距离只有0.0453天文单位(1天文单位等于地球与太阳的平均距离,约1.5亿千米),公转周期只有3.42526天。由于距离母恒星太近,它上面的温度很高。

韦布上的光谱仪NIRISS拍摄了它280个时期的光谱图,并合成了每个时期的总亮度。每次拍摄曝光时间近1.4分钟,累计消耗6小时23分[4]。根据这280个数据点,天文学家得到WASP-96的亮度演化曲线(光变曲线,见下图)。WASP-96的亮度变化是由于被行星WASP-96b周期性地遮挡导致,当它被行星遮挡时,地球上探测到的它的亮度就会略降低;当它不被行星遮挡时,它被探测到的亮度就恢复。这种方法是探测系外行星的主要方法之一(凌星法)。

WASP-96的光变曲线,上面的每个点的亮度由对应NIRISS在对应时期拍摄的光谱合成。根据其亮度的突然周期性降低,可以推断出有一颗行星围绕着它运转并遮挡了它的部分光。图源:NASA, ESA, CSA, STScI

虽然光变曲线的凹陷程度看上去很大,但实际上这只是为了便于观看而画的图。实际上,在行星遮挡WASP-96时,后者的亮度值仅下降了1.5%。NIRISS非常灵敏,可以探测到0.02%的亮度变化。[4]

除了拍摄恒星WASP-96的光谱外,NIRISS还拍摄了行星WASP-96b遮挡恒星时的恒星光与行星不遮挡恒星时的星光。前者的星光经过行星大气后被后者吸收了一小部分,后者则不受损失。比较两种情况下的星光,就可以得到不同波长的恒星光被行星大气吸收的比例从1.36%到1.47%不等。[5]通过这些比较,就能得到系外行星大气的透射谱。下图为WASP-96b的透射谱。

NIRISS拍摄的系外行星WASP-96b的光谱。

通过不同波长的星光被吸收的比例,研究人员可以确定出行星大气中的气体的种类与含量,计算大气的温度,判断大气中是否含有雾等。用模型拟合韦布的NIRISS得到的透射光谱,研究人员初步判定:这颗行星的大气中含有云,因此抑制了水蒸气的含量;它的大气中含有雾;它大气的温度约为725摄氏度。[5]

作为对比,此前的研究认为这颗行星的大气中没有云。显然,韦布改变了这个结论;此前的研究认为它的大气的温度达到1285 K,即1012摄氏度,韦布得到的数值大约为这个值的0.7倍。

行星状星云:南环状星云

韦布被公布的第一批照片中的第三个天体是南环状星云 (NGC 3132)。韦布上面的近红外相机与MIRI拍摄了它的图像。南环状星云在南天的船帆座方向,与地球的距离约2000光年,因为它显示出环状结构,因此得名,与北天的环状星云相对应。

韦布的近红外相机拍摄的南环状星云 (NGC 3132)。

南环状星云是一对双星系统中的一颗恒星抛出物质后形成。制造出这个星云的恒星并不是中心那颗亮星,而是在后者朝向左下的那条的星芒旁边,勉强可见(如上图)。[6]正是这两颗星构成了双星系统。

星云中心的亮星在过去不断通过对其伴星的引力作用,使后者抛出物质,使其形成了这个星云[6]。过去的研究已经表明,现在很暗淡的那颗星在过去几千年内至少抛出了八次,因此这个星云也被称为“八次爆发星云”(Eight Burst nebula)。亮星还改变了伴星抛出的这些星云的形状与结构,其强光还照亮了星云的空腔区域。

南环状星云属于“行星状星云”。但它们与行星毫无关系,只不过几百年前的天文学家用望远镜观测时,觉得它们像行星的环,因此这样称呼它们。一部分中低质量恒星演化到末期就会抛出外层物质,形成行星状星云,中心留下的致密天体慢慢演化为所谓的“白矮星”。图中勉强可见的那颗星,将来就会成为白矮星。

上面说的那颗勉强可见的恒星,在MIRI拍摄的中红外图像中却清晰可见,如下图中红色表示的那个点。MIRI探测到它,得益于包裹着它的尘埃。炽热的恒星加热了周围的尘埃,后者因为发射出大量中红外辐射,被MIRI探测到。由于较长时间的曝光,MIRI也拍摄到一些遥远的星系。

图:韦布的MIRI拍摄的南环状星云 (NGC 3132)。

由于较长时间的曝光,近红外相机与MIRI都拍摄到众多非常遥远的星系,这些星系作为背景点缀在图像中。我们可以把这它们视为“不那么深”的深场图。

在韦布之前,还有大量望远镜拍摄过南环状星云。下图为哈勃拍摄过图像。对比韦布拍摄的图像与哈勃拍摄的图像,我们可以发现,韦布拍摄的图像显示出更多复杂的结构,也显得更加不对称。

哈勃的WFPC2拍摄的南环状星云 (NGC 3132) 。图中区域的宽度约为0.9光年,高度约为0.7光年。图源:Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA/ESA)

斯蒂芬五重奏

韦布第一批照片中的第四个天体是“斯蒂芬五重奏”。韦布的近红外相机与MIRI分别拍摄了它。

斯蒂芬五重奏星系位于飞马座,由五个星系组成。这五个星系看上去是聚集在一起的,但实际上并非如此。图中左边那个星系(NGC 7320)与地球的距离大约是4000万光年,另外4个星系(NGC 7317、NGC 7318A、NGC 7318B与NGC 7319)与我们的距离为2.9亿光年。

由韦布的近红外相机得到的“斯蒂芬五重奏”的数据合成的图像。STScI

图中心的两个星系分别是NGC 7318A与NGC 7318B,它们正在并合过程中。另外两个星系虽然尚未参与并合,但与其他两个星系也产生了引力相互作用。其中,下方的NGC 7317与其他三个星系的相互作用相对弱一些,上方的NGC 7319与中间的两个星系的相互作用很强烈,它们会在“不远”的将来合并在一起。

星系的引力相互作用甚至并合,会导致星系内的部分气体与尘埃被压缩,使它们更快合成出恒星,也使星系成为“星暴星系”,这类星系的形成恒星的速度远超过普通的星系。另一方面,引力相互作用与并合还会导致星系内的一些气体、尘埃、恒星甚至星团被拉扯出星系,形成壮观的气体流与“星流”,这些都可以在韦布得到的图像中被看到。

在韦布的MIRI拍摄的图像(如下图)中,气体流与星流更加明显。此外,MIRI的近红外图像还首次揭示出这些星系中的充满尘埃的区域。图中的红色表示充满尘埃的恒星形成区以及非常远的星系,蓝色点状源表示被不伴随尘埃的恒星或星团。蓝色弥散源表示包含大量碳氢分子的尘埃。绿色与黄色表示富含碳氢分子的更遥远的星系。[7]

MIRI还观测到NGC 7319(图顶端的星系)核心区域的大量红外线。它们是大量尘埃发射出来的。NGC 7319是一个活动星系,其核心为活动星系核,核心内部为一个黑洞,其质量是太阳质量的2400万倍。[7]活动星系核的黑洞周围包裹着大量的气体与尘埃,它们发出大量多波段辐射,并不断被黑洞所俘获、吞噬。MIRI观测到的尘埃发出的红外辐射,为人们限制NGC 7319的尘埃性质提供了重要的信息。

研究星系的并合与相互作用,自身具有重要的意义。而早期宇宙中的星系更加拥挤,并合与相互作用更常见。对这类现象的研究,对于研究早期宇宙中的星系的并合与相互作用、星系的演化也都有重要的意义。

由于曝光时间较长,近红外相机与MIRI得到的斯蒂芬五重奏的图像中也都显示出大量遥远的星系。它们也可以被视为“不那么深”的深场图。

船底座星云

韦布第一批照片中的天体中的第五个(也是最后一个)是船底座星云。船底座星云位于船底座方向、距离地球大约7500或7600光年。它是银河系中最大的恒星形成区,其宽度达到460光年,里面正在孕育大量恒星。韦布上面的近红外相机拍摄了它的西北角区域,该区域的编号为NGC 3324。

在这幅图中,大量的恒星正在内部形成,有的发出了喷流。已经形成的炽热的大质量恒星持续发射出的强烈的星风与紫外线,它们驱散了周围的星云,重塑了星云的形态,使其形成峭壁沟壑一般的壮观图像。这些“山”与“谷”的大小却远远超过地球上的山。

由韦布的近红外相机的数据合成的NGC 3324的全彩图。图源:NASA, ESA, CSA, and STScI

为了感受这张图的特殊指出,我们可以将此前由哈勃的ACS与WFPC2采集到的同一区域的可见光数据合成的图像(如下图)进行对比。

由哈勃的ACS与WFPC2得到的NGC 3324的可见光数据合成的图。图中绿色表示氢发出的光,红色表示硫发出的光,蓝色表示氧发出的光。图源:NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

对比韦布与哈勃得到的图,我们会发现,在同样的区域内,韦布的图出现了更多闪亮的星星。这些星星都是正在形成中的恒星,它们发出的可见光被尘埃与气体吸收,后者将吸收到的辐射以红外线的形式重新发射出来。因此观测可见光的望远镜很难发现躲在尘埃与气体里面的新恒星,但观测红外线的望远镜却可以通过红外线探测,捕捉到里面隐藏的恒星。

哈勃的ACS与WFPC2观测的主要范围是可见光,因此无法探测到大量新恒星。而韦布的近红外相机的观测波长以近红外为主,因此可以探测到里面的大量新恒星。不过,要注意的是,哈勃的一些仪器(如NICMOS与WFC3)也具备观测红外线的功能,只是其观测的波长的极限在2微米左右,短于韦布的近红外相机的观测波长极限,更远短于韦布的MIRI的观测波长极限。这使得韦布在观测一些富含尘埃的对象时具有很大的优势。

一个完美的开端,一个辉煌的未来

韦布发布的这些精美的图像为韦布的开场考试交了一份满分卷。韦布是一个折叠式空间望远镜,且必须发送到距离地球100多万千米的地方观测。为了能够确保其不出意外,项目组的天文学家与工程师们奋斗了整整25年。

在这25年间,它的发射日期被一次次被推迟,预算一路高涨到100亿美元,只因为它没有第二次机会。从它发射到展开、抵达预定轨道、调试各种仪器、微调对焦,几百个操作都顺利完成,最终它在试运行期间就获得了如此高品质的图像。

将来韦布将立即执行其正式观测任务,由于其发射过程非常顺利,变轨等过程消耗的燃料较少等原因,它可以在太空中执行20年观测任务,大大超出了此前预期的5-10年的观测时限。

我们祝贺韦布的这个完美开端,并预祝其在未来创造出不胜枚举的辉煌成果,帮助人类破解宇宙与星球的核心秘密。

参考“文”献

[1] https://webbtelescope.org/resource-gallery/images

[2]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/035/01G7HRYVGM1TKW556NVJ1BHPDZ?page=2&filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97

[3]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/035/01G7HRMY93K0BCCBKCABAQH0V7?page=2&filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97

[4]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/032/01G72W1XZK6A79RJK2Z93D58CD

[5]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/032/01G72VSFW756JW5SXWV1HYMQK4

[6]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/033/01G70BGTSYBHS69T7K3N3ASSEB?page=2&filterUUID=91dfa083-c258-4f9f-bef1-8f40c26f4c97

[7]https://webbtelescope.org/contents/media/images/2022/034/01G7DBCJA1M1SSGKDMH7F5XMBE

来源:返朴 科普中国-创作培育计划

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