詹姆斯·韋伯的一年，拍攝的影像是如何打破天文學記錄的！

2022年12月25日是詹姆斯韋伯太空望遠鏡升空一週年的日子 在這一年裏 韋伯望遠鏡爲人類展現了宇宙的波瀾壯闊和神祕 爲人類探索宇宙開闢了新的世界 法國當地時間2021年12月25日13時15分 韋伯在法屬歸亞納庫魯基地成功發射升空 在經歷了長達29天 歷經了約150萬公里的飛行之後 終於在1月24日抵達了第二拉格朗日點 並圍繞該點已半徑80萬公里的軌道運行 又用了五個月的時間來進行校準 併爲科學觀察做準備 然而 當第一張微博圖片發佈時 他們超出了所有人的預期 他們包括宇宙最深的紅外仕途 數百顆恆星正在誕生的美麗恆星潑爾索 前所未見的系外行星大氣層 一顆垂死的恆星周圍形成了壯觀的氣體和塵埃環 以及五個星系在星光線下的視覺分組 當詹姆斯韋伯太空望遠鏡早期科學計劃的數據發佈時 數百篇研究論文在短短几周內被提交發表 大多數論文都是關於恆星天體物理學 核外天文學 系外行星 暗物質和太陽系 就好像微博打開了歷史上其他望遠鏡無法打開的宇宙之窗 但是微博到底發現了什麼 表明我們的理論是錯誤的呢 紅外天文臺是怎麼在幾個月內徹底改變了天文學 最後也是最重要的 詹姆斯韋伯太空望遠鏡的2023年是什麼樣子呢 大家好 當天文學家開始着手建造詹姆斯韋伯太空望遠鏡時 其主要科學的目標是發現宇宙中最遙遠的星系 是爲了檢驗大爆炸理論的預測 重要的是要回顧恆星和星系正在誕生的那個時期 由於光是以有限的速度傳播 所以我們在宇宙中看到的一切都是它過去的樣子 如果到一個星系的光傳播距離是120億光年 那麼我們正在觀察它在120億年前的樣子 也就是說該星系所發出的光花了那麼多時間纔到達我們的地球 現在由於宇宙的膨脹 星系發出的光線的波長會不斷的被拉伸 波長變得越來越長就會發生紅移現象 天文學家用無量剛量Z表示紅移 Z等於0爲當前時間 隨着它的值增加 回溯時間和到天體的距離也會增加 在韋伯之前 天文學家只在Z軸上發現了一個大於11的星系 或者說宇宙前4億年的星系 名叫GNZ-11 紅移爲11.1 於2015年被哈勃太空望遠鏡發現 紅移超過12的星系超出了哈勃望遠鏡的範圍 因爲它主要工作在電磁波的光學和紫外線區域光譜 然而韋伯是一個紅外天文臺 紅外波波長較長 可以輕鬆穿過星際塵埃 這意味着韋伯可以觀察到連哈勃望遠鏡也看不到的宇宙區域 天文學家預計 在早期發佈的科學計劃中 他們只會得到一個哈勃深長改進版本 其中只有少數幾個星系的紅移超過10 但韋伯在其第一張照片中向他們展示的是完全出乎意料的數十個昏暗的超早星系立即出現在視野中 事實證明詹姆斯韋伯太空望遠鏡非常強大 他甚至可以發現90億光年之外的星系周圍的單個星環 在第一張照片發佈之後的每個星期 天文學家都會發現最遠星系的新記錄 他從紅移11 13.1 14.3的星系開始一直到16.4 韋伯發現的紅移爲16.4的候選星系存在於宇宙大爆炸的前2.5億年 這就像看着時間的邊緣 儘管一個接一個的打破觀測最遠星系的記錄令人非常興奮 但天文學家開始注意到這些星系的不尋常之處 大爆炸理論預測恆星形成是在宇宙開始後1.5億年開始的 第一代恆星稱爲第三星族 在最初的5億年中形成了原星系 然後這些原星系進一步形成了宇宙的第一星系 這個過程一定持續了大約10億年 因此天文學家期待在宇宙形成的最初幾億年中 看到原星系碎片在形成更大星系的過程 但令他們驚訝的是 他們看到的是一些已經成型的大結構 這些星系有大約10億個太陽質量 它們還具有異常高的恆星形成率 那麼如果恆星形成確實是在大爆炸後1.5億年開始的 那麼這些巨大的星系怎麼會在如此早的時間內形成的呢 是什麼在推動這些原始星系中異常高的恆星形成率 這些星系的另一個奇特之處在於 它們具有高紫外線亮度和低塵埃量 在其中一篇研究論文中 天文學家給它們起了個綽號叫藍色怪物 我們知道超早期星系是大質量短命恆星的家園 因此這些原始星系中的超新星爆發率要高得多 超新星也被認爲是早期宇宙中的主要塵埃場 但問題是這些星系的塵埃含量與我們的計算不符 那麼失蹤的宇宙塵埃在哪裏呢 天文學家在他們的論文中提出了兩種解決方案 但他們需要進一步的證據來證實 首次核外微博觀測表明我們對星系形成的理解存在缺陷 也許我們對暗物質在大尺度結構形成中的作用是錯誤的 但這些結果可能會引領我們走向新的物理學並更好的瞭解宇宙 當詹姆斯微博太空望遠鏡的設計處於搖籃階段時 甚至還沒有發現第一顆系外行星 因此多年來科學家和工程師不得不即興發揮微博的才能 將探索系外行星作爲其主要科學目標之一 截止到2022年微博開始全面展開工作時 NASA已經確認了5000多顆系外行星 微博是研究系外行星大氣層的最佳太空望遠鏡 但該望遠鏡的設計目的並非是爲了發現新的系外行星 而是旨在通過一種叫靈日光譜的方法繪製已知世界的更詳細的圖片 當一顆行星從它的母恆星前面經過時 恆星發出的部分光線會透過行星的大氣層 大氣中的分子會吸收一些星光從而在恆星光譜中形成暗線 行星大氣層的知識可以告訴天文學家行星是如何形成和演化的 它的條件是什麼樣的以及在該大氣層中發生了什麼化學過程 微博發佈的第一個詳細光譜是一個名爲wisp96b的熱氣態巨行星 它位於1150光年之外 望遠鏡可以清楚地探測到大氣中的水蒸氣 這是我們以前就知道的東西 微博強大的功能還顯示了之前對這顆行星的研究沒有發現霧霾和雲的證據 而微博揭示的最令人興奮的光譜是一顆名爲wisp39b的熱木星 它距離地球大約700光年 微博在其大氣層中發現了二氧化碳 這是首次在系外行星大氣層中檢測到這種氣體 此外該望遠鏡還檢測到大氣中一氧化碳甲那二氧化硫和水蒸氣 這些發現被描述爲迄今爲止對系外行星大氣層的最詳細分析 光譜顯示氧比碳多得多 硫也很豐富 科學家認爲硫一定來自於wisp39b在形成時與較小的星子發生了多次碰撞 這爲我們提供了行星演化的線索 也可能暗示我們太陽系中的氣態巨行星和木星和土星是如何形成的 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 因爲當恆星的紫外線與行星大氣中的分子發生反應時就會形成這種化合物 微博如火如荼的工作有望在未來幾年改變系外行星研究領域的進程 我們終於到了深入探索過去30年裏各種地面望遠鏡和太空望遠鏡發現的數千個世界的大氣層的時候了 恆星形成的過程是複雜的 至今還有很多我們不知道的事情 嬰兒恆星誕生於塵埃和氣體雲中的緻密團塊 這些團塊在重力作用下坍塌並開始從周圍的雲中積累物質 隨着恆星的旋轉形成一個圓盤 這顆圓恆星被氣體和塵埃籠罩無法使用可見波長觀察恆星形成 所有這些塵埃和氣體都阻止了光線的溢出 無法向我們展示裏面的東西 然而較長波長的紅外線即詹姆斯微波望遠鏡所觀察宇宙的範圍可以穿透塵埃 讓我們看到在較短波長下無法看到的區域 例如可見光譜 正因爲如此 從事恆星天體物理學研究的天文學家對使用微波數據研究恆星形成感到非常興奮 詹姆斯微波太空望遠鏡捕捉到了獵戶座星雲的新細節圖像 獵戶座星雲是肉眼可見 也是距離最近的恆星形成區域之一 微博提供了獵戶座星雲最清晰的視圖 人們可以看到無數壯觀的結構 小至40個天文單位或我們太陽系的大小 它們是通過近紅外儀器獲得的 該儀器在0.8到5微米的紅外波長範圍內工作 拍攝這些圖像是早期發佈科學計劃的一部分 涉及18個國家和地區的100多名科學家 哈勃太空望遠鏡最具標誌性的圖像之一是創生之柱 這些是在鷹狀星雲中發現的分子氣體柱 他們是恆星誕生的宇宙托爾索 微博重訪了創生之柱 並在近紅外和中紅外波長下觀察了恆星形成區域 望遠鏡的紅外線視野可以穿透柱狀星團中的塵埃 從而更好的觀察內部正在形成的恆星 顯示出處於坍縮成嬰兒恆星邊緣的分子氣體結構 然後當這些恆星只有幾十萬年的時候 開始噴出親室支柱邊緣的噴流 在微博之前 對年輕恆星的光學觀測是有限的 因爲塵埃阻擋了他們的光 無線電和亞毫米觀測也只能提供有限的見解 但微博現在提供了比以往任何時候都更詳細的監視恆星形成祕密所必須的解決方案 儘管微博的設計目的是用來探測深空 但它也可以用來觀察我們最近的鄰居 而且結果一定令人滿意 微博的第一個太陽系目標是木星 當微博指着這顆氣態巨行星時 天文學家不確定會發生什麼 因爲它移動的速度太快 而且與望遠鏡通常觀察到的微弱遙遠星系相比 這顆行星過亮 科學家們擔心木星可能會使微博的敏感探測器超載 或用它的強光抹去較暗的特徵 但結果超出我們的預期 這些圖像顯示了木星微弱的光環 它的一些小衛星 以及這顆行星的大氣帶和極光 微博還拍攝了遙遠的海王星 土星的衛星泰坦和我們的臨近行星火星 旅行者二號首先研究了海王星環 它是唯一訪問過這顆冰巨星的航天器 因此 微博提供了30多年來對海王星星環的首次觀察 短短几個月內 詹姆斯微博太空望遠鏡提供了科學家們用來做出破記錄發現的數據 在覈外天文學中 微博打開了通往宇宙歷史上最後一個未探索的時代的窗口 即大爆炸之後的第一個十億年 在恆星天體物理學中 它提供了一個更詳細的研究恆星形成複雜過程的機會 最後 藉助微博 天文學家現在可以探測他們在過去30年發現的數千顆系外行星的大氣狀況 這可能會導致發現潛在的宜居世界 也許還會發現地外生命