韋布空間望遠鏡如何改變宇宙學？

在韋布空間望遠鏡（JWST）開始科學運行兩年多后，我們對宇宙的認知發生了巨大變化。

這張展示了同一天體（即環狀星云）的三種不同視角：來自哈勃空間望遠鏡的圖像（左）、韋布空間望遠鏡的近紅外攝譜儀（NIRCam）圖像（中）和中紅外成像光譜儀（MIRI）圖像（右）。在更長的波長上，可見光無法觀測到的細節得以壯麗地呈現。韋布空間望遠鏡的高靈敏度首次揭示了環狀星云中的許多特征

難以想象，自韋布空間望遠鏡于2022年7月開始科學觀測以來，才過去了短短兩年。在那之前，我們已經獲得了大量有關宇宙的信息，但也面臨諸多懸而未決的宇宙學難題。我們知道的關于宇宙的主要事實有以下幾點：宇宙年齡為138億年；宇宙在熾熱大爆炸中誕生，經歷了一個暴脹期；宇宙由暗能量和暗物質主導，但二者的本質至今仍是謎；對宇宙膨脹速度的測量存在“哈勃常數危機”這一重大難題；超大質量黑洞在宇宙早期就已形成；已知的最早期星系也是大質量的，經歷了某種程度的演化并且相當明亮。

我們的宇宙圖景中包括星系、恒星和化學演化，從早期的原始狀態演變到我們周圍所觀測到的晚期狀態。在這一段歷史中，超過兩兆億顆恒星分布在數以萬億計的星系中，構成了直徑約920億光年的可觀測宇宙。但許多重要問題仍然存在，比如：暗物質和暗能量是什么？宇宙的真實膨脹速度到底有多快？第一代恒星和星系是在什么時候形成的？超大質量黑洞是如何產生的？類似太陽的恒星和類似地球的行星又是如何誕生的？

現在，韋布空間望遠鏡的科學運行已超過兩年，以下是韋布空間望遠鏡帶來的變化、保持不變的部分以及韋布空間望遠鏡的新發現引發的進一步問題。

我們需要準確理解韋布空間望遠鏡的能力，因為盡管它非常強大，擁有前所未有的能力，它也無法解答所有的宇宙學難題。韋布空間望遠鏡是一臺具備高分辨率的大型低溫望遠鏡，專為觀測長波段（從0.6至約28微米）宇宙信號而優化，能在數十個不同波段下成像，并對單個天體進行分光觀測。然而，韋布空間望遠鏡也存在一些重要的局限性：它的視場很窄，無法一次性觀測到宇宙的大片區域；它的觀測申請競爭極為激烈，在1份觀測申請被接收的同時，會有另外10份高質量的觀測申請被拒絕；對單個目標進行分光觀測所需要的時間遠比成像觀測多，這嚴重限制了可進行光譜分析的天體數量；它無法在多個濾波片下同時成像。觀測的波段越多，所需的觀測時間也就越長。

即使有這些限制，韋布空間望遠鏡依然獨具優勢，能夠開展大量創新性的科學研究。尤其是韋布空間望遠鏡有望打破“最遠”或“最早”的某類天體這樣的宇宙學記錄，因為它在設計上就考慮到了這些目標。然而，由于其出色的能力，韋布空間望遠鏡還意外促成了一系列原本并未預料到的全新發現，這正是韋布空間望遠鏡乃至任何新望遠鏡科學中最令人興奮的方面。

天文學家和物理學家經常使用一個外界幾乎聞所未聞的術語：“發現潛力”。在韋布空間望遠鏡的科學時代來臨時，天文學家感到如此興奮，背后有兩方面的原因。首先是新技術帶來的多項新功能，例如：因分段可折疊的特性而在太空中構建的大型主鏡、由5層遮陽罩而形成的極低溫環境、由儀器和清潔室技術的進步而帶來的高質量光學元件和儀器等。僅從設計能力看，韋布空間望遠鏡便注定會打破多項紀錄。這些功能本身就是韋布空間望遠鏡的“絕對優勢”。

但第二方面的原因更為深遠，不僅對韋布空間望遠鏡來說如此，對整個物理學和天文學領域都極具意義。每當我們建造一臺儀器、望遠鏡或設備，便希望滿足以下條件：超越此前所有相似儀器的極限，尤其是超越此前相似儀器在某些特定參數范圍內的靈敏度極限；能夠使用這一臺儀器、望遠鏡或設備去觀測新的天區，或僅去觀測此前已觀測到的天體和現象。

這些全新的能力帶來了某種過去不可能存在的機會，即只需通過這一新工具進行觀測，就有可能發現新事物。過去所有的儀器沒有足夠的靈敏度來完成這樣的新發現，但只需要使用這一新工具來探測宇宙，一些令人驚喜的甚至是革命性的新發現就突然成了可能。

因此，我們不應對韋布空間望遠鏡給我們帶來的諸多新發現感到意外。其中，既有預期內的成就，也有令人驚喜的突破。正如預想的那樣，韋布空間望遠鏡創造了多項新的宇宙學記錄。憑借著比哈勃空間望遠鏡、斯皮策空間望遠鏡、索菲亞平流層紅外天文臺或者任何世界級的地基光學和紅外望遠鏡更廣的波長觀測范圍和更高的分辨率，韋布空間望遠鏡專為觀測超遠恒星、類星體和星系而生。自2022年韋布空間望遠鏡投入使用以來，宇宙學距離記錄已多次被刷新，這些成就如同我們想象中的一樣令人印象深刻。

韋布空間望遠鏡常被譽為“宇宙時光機”，因為它比歷史上任何光學或紅外望遠鏡都能看到更遙遠的宇宙過去。當然，我們可以在射電波段上觀測大爆炸留下的余輝，也可能利用氫原子自旋翻轉躍遷產生的21厘米譜線，通過遠紅外和射電天文學觀測恒星形成前的中性氫原子特征。而韋布空間望遠鏡在前所未有的超長波段上展現的高精度觀測能力，加上開展光譜跟蹤觀測的能力，使它不僅能識別出大量超遠星系的候選體，還能確認它們的距離并揭示其內部特征。

例如，在韋布空間望遠鏡之前，已知宇宙中最遙遠的星系是由哈勃空間望遠鏡觀測到的GN-z11，早在2016年它就創下了宇宙學最遠距離記錄。當韋布空間望遠鏡于2022年開始科學運行時，GN-z11仍然是人類已知的最遙遠星系。然而到了2024年底，GN-z11不僅不再是紀錄保持者，甚至已跌出前十。當前最遙遠的十個星系均由韋布空間望遠鏡發現，或借助韋布空間望遠鏡探測到的關鍵特征來確認其極遠的距離，其中韋布空間望遠鏡高級深星系外巡天（JADES）合作團隊發現并確認了目前的宇宙最遠距離紀錄保持者：JADES-GS-z14-0。

這個超遙遠星系在許多方面都引人注目。它的光來自大爆炸后僅2.85億年，當時宇宙的年齡僅為當前年齡的2.1%。它與一個更亮的前景星系重疊，但憑借韋布空間望遠鏡的超高分辨率，我們能將兩者區分開來，揭示出更遙遠的背景星系的詳細信息。它的紅移值為14.32，意味著在韋布空間望遠鏡觀測到它時，我們接收到的光相較于其原始發射波長已被額外拉長了14.32倍。

然而，這個星系的兩個特性出乎科學家的意料。首先，這個星系非常明亮：其亮度不僅超出當前主流理論的預期，甚至遠超此前韋布空間望遠鏡觀測到的其他超遙遠星系。其次，星系中幾乎沒有塵埃，這一點同樣與現有理論相悖。

韋布空間望遠鏡還打破了其他多項宇宙學距離記錄。它發現了迄今最早的原星系團：它在一片狹小天區內發現7個獨立星系有著精確且相同的紅移值7.88，對應于大爆炸后僅6.5億年。這一原星系團被稱為A2744z7p9OD，較之前的紀錄早了1.5億年。此外，許多早期星系不再是無法相互區分的紅點，而是表現為延展天體，其中一些甚至可能顯示出存在衛星星系的特征——這是在韋布空間望遠鏡的能力下才能觀測到的細節。

在這次韋布空間望遠鏡公布的早期數據中，還發現了數百個超遙遠星系候選體，其中數十個有望刷新韋布空間望遠鏡新創下的紀錄。在2023年的一項研究中，韋布空間望遠鏡偶然發現了有史以來最遙遠的引力透鏡。此外，韋布空間望遠鏡還幫助發現了許多迄今最遙遠的超大質量黑洞（包括已知最遙遠的四個），其中包括一個在星系UHZ1中發現的備受關注的黑洞：韋布空間望遠鏡（紅外觀測）和錢德拉X射線天文臺（X射線觀測）聯手發現了一個質量約為銀河系中心黑洞兩倍的超大質量黑洞，但該星系中的恒星總質量卻僅約為太陽質量的一千萬倍。盡管韋布空間望遠鏡能觀測到這些天體并不令人驚訝，但這些黑洞與星系中恒星的質量比卻完全出乎意料。

韋布空間望遠鏡還進行了許多看似“平常”的觀測：對一些吸引了好幾代天文學家的天體進行了追蹤觀測，這些天體此前已被觀測過數百次。例如，韋布空間望遠鏡觀測了蟹狀星云——一個超新星遺跡，誕生于1054年一次大質量恒星的核心坍縮。自此后的970年里，蟹狀星云不斷擴張，目前已橫跨約11光年，充分展示了超新星爆炸的威力（即使是千年之后）。憑借對此前觀測無法分辨的細微特征的高靈敏度，韋布空間望遠鏡有望解開蟹狀星云的質量之謎：中心脈沖星加上超新星拋射物的總質量為何達不到引發核心坍縮超新星所需的最小質量（約8個太陽質量）。

在對獵戶座星云（距離地球最近的大型恒星形成區）的觀測中，韋布空間望遠鏡不僅對原恒星進行了更清晰的成像，還繪制了其中中性物質和塵埃的分布圖。當然，韋布空間望遠鏡雖然在這些工作中大獲成功，但它也發現了一些完全出乎意料的東西：大量木星質量（甚至超木星質量）的行星在這些恒星誕生區內自由漂浮，這些行星不依附任何類型的母恒星。不僅這些行星的發現出乎意料，其中有高達9%的行星還成對出現，彼此相互束縛，形成了木星質量雙星天體（JuMBO）。在韋布空間望遠鏡之前，人們甚至不知道有這類天體存在。

眾多地基和空間望遠鏡在不同波段上對北落師門系統進行了觀測。然而，目前只有韋布空間望遠鏡能夠分辨出該系統內部的塵埃碎片區域。此前，赫歇爾空間天文臺、哈勃空間望遠鏡和阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列的觀測數據都顯示出北落師門系統中存在一個內盤和一個外帶，而韋布空間望遠鏡的觀測則揭示了兩者之間的一條“中間帶”。這一發現完全出乎意料，與太陽系中僅有的小行星帶和柯伊伯帶不同

當韋布空間望遠鏡深入觀測備受研究的“艾爾 · 戈爾多”（El Gordo）星系團內部時，它發現了壯觀的引力透鏡現象。這正是我們在這樣一個大質量而遙遠的星系團中所期望看到的，它的引力會彎曲和扭曲其所在時空。因此，背景天體的光線被引力透鏡效應扭曲、拉伸并放大，通常同時出現多個星像。然而，在這片天區中還觀測到了一些前所未見的天體：一顆位于宇宙學距離上的紅超巨星，這只有在韋布空間望遠鏡的高靈敏度與艾爾 · 戈爾多星系團的透鏡特性相結合時才得以觀測到。這顆紅超巨星被命名為“Quyllur”（意為“星星”），距地球超過100億光年。

與此同時，韋布空間望遠鏡還觀測了大量相對較近的星系，這些星系具備以下三個重要特征：它們富含造父變星，這是一類特殊類型的恒星，其亮度隨時間的變化存在眾所周知的關系；在這些星系中曾觀測到至少1顆Ia型超新星，這使得它們在利用宇宙距離階梯法測量宇宙膨脹速度中扮演重要的“連接階梯”角色；這些星系距離足夠遠，以至于哈勃等現有望遠鏡在這些密集星場中難以分辨出單個造父變星。

這一密集星場問題是否會對宇宙距離梯造成偏差？韋布空間望遠鏡能夠提出并回答這個問題，答案是響亮的：“不會！”這表明“哈勃常數危機”和宇宙膨脹的未解之謎一如既往地存在著，而韋布空間望遠鏡極大地減少了可能的誤差來源。

然而，韋布空間望遠鏡最令人震驚的發現之一可能來自對近鄰亮星北落師門的觀測。北落師門是夜空中最亮的20顆恒星之一，距離我們只有約25光年。它也是一個非常年輕的恒星系統，年輕到它周圍仍有一個富含塵埃的碎片盤，而太陽系在近40億年前就失去了這種塵埃盤。此前，有跡象表明這個系統中可能存在系外行星，因此韋布空間望遠鏡將觀測時間分配給了一支想要尋找該行星的研究團隊。憑借其高分辨率和對長波紅外光的靈敏度，韋布空間望遠鏡有望直接對該系統中的潛在行星進行成像。

然而，觀測結果卻完全出乎意料。在尋找潛在行星時，韋布空間望遠鏡卻發現了：一個內部盤，對應于內行星及類小行星帶；一個外側環，類似柯伊伯帶，之前已由哈勃空間望遠鏡和阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）觀測到；內部盤與外部環之間的兩個間隙，可能是系外行星所在的區域（盡管韋布空間望遠鏡未直接觀測到這顆行星）；還有最讓人驚訝的一條中間帶，這在太陽系中沒有任何對應物。

這個令人震驚卻又驚喜的發現正促使我們提出一個從未想到的問題：一個典型的恒星系統究竟有多少個“帶”結構？我們擁有的兩個帶（小行星帶和柯伊伯帶）是常見的，還是不常見的，抑或是一種宇宙罕見現象？

從宇宙學視角來看，韋布空間望遠鏡既向我們展示了許多意料之中的現象，也帶來了大量的驚喜。它打破了多項宇宙學距離紀錄：最遙遠的星系、最遙遠的星系團、最遙遠的紅超巨星、最遙遠的引力透鏡以及最遙遠的超大質量黑洞等。但是它告訴我們的有關宇宙的知識，尤其是在宇宙演化方面，還包含了在韋布空間望遠鏡向人類展示其發現潛力之前沒人能預料到的驚喜。

像太陽系一樣的恒星系統一般會有兩個帶、三個帶，還是其他數量的帶？哪種結構最為普遍？（在韋布空間望遠鏡之前我們并未想到這一問題。）

恒星形成時會孕育哪些類型的非恒星系統？超級木星質量行星和包含木星質量二體天體的系統僅僅是冰山一角嗎？在韋布空間望遠鏡之前，我們并不知道木星質量雙星天體的存在。

宇宙中的超大質量黑洞究竟是如何形成的？韋布空間望遠鏡的這些發現是否排除了它們由第一代恒星形成的可能性？答案似乎是肯定的，令人難以置信！

隨著造父變星的密集星場問題被排除在“哈勃常數危機”的成因之外，這一現象的最終解釋是什么？這一問題仍未解決，但已排除了一個可能的干擾因素。

盡管韋布空間望遠鏡觀測到的最早期星系的數量和亮度最初令人驚訝，但這些星系與我們宇宙的“共識圖景”是否真正一致？答案似乎也是肯定的，這些星系的特性主要歸因于爆發式恒星形成和超大質量黑洞活動對光的增強效應。

韋布空間望遠鏡已經為我們提供了大量有關宇宙的信息，包括宇宙是什么樣的、它是如何成長起來的以及它是如何創造出與太陽系既不同又相似的恒星和行星系統的。在未來約20年的科學運行中，唯一能確定的是，韋布空間望遠鏡所創下的紀錄、提出并開始回答的科學問題，都預示著未來還將會有更多的發現。

資料來源 Big Think

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本文作者伊森·西格爾（Ethan Siegel）既是一位天體物理學家，也是一位科學作家，其科學作品屢獲大獎。