騰訊太空 喬輝
北京時間2022年7月12日22時30分左右，天文學家陸續(xù)公布了韋布太空望遠鏡（JWST）拍攝的首批照片。這組照片包含：船底座星云、南環(huán)星云、系外行星WASP-96 b光譜圖、斯蒂芬五重星系以及韋布首張宇宙深場圖（Webb's First Deep Field）。
韋布太空望遠鏡是由美國航空航天局（NASA）主導研發(fā)的大型紅外太空望遠鏡，也是迄今為止口徑最大的太空望遠鏡。該望遠鏡總耗資約100億美元，歷時20多年建造完成，主要用于研究早期宇宙中恒星和星系的演化等等。下面我們來賞析一下這臺百億美元望遠鏡首次公布的宇宙靚照合集。
一、五張照片，五個宇宙奇觀
1、船底座星云（Carina Nebula），距離地球大約8500光年，位于南部天空的船底座方位。該星云內部孕育著大量的大質量恒星，其中就有著名的船底座η恒星系統(tǒng)，該恒星系統(tǒng)以經常發(fā)生大噴發(fā)、亮度迅速變化而著名。其實，船底座星云比獵戶座大星云還要大四倍，但由于位于南方天區(qū)，直到1752年才由法國天文學家拉卡伊在非洲好望角發(fā)現(xiàn)并記錄下來。
圖注：船底座星云，該星云內部孕育著大量的大質量恒星。
2、南環(huán)星云（Southern Ring Nebula），又稱八裂星云，距離地球約2000光年，位于船帆座方位。這是一個行星狀星云，是由類似太陽的恒星死亡后噴發(fā)的物質形成的環(huán)狀結構。中心區(qū)域有一顆白矮星，溫度可達10萬度，它發(fā)出的紫外線激發(fā)了周圍氣體發(fā)光。
圖注：南環(huán)星云（行星狀星云），距離地球約2000光年。
3、系外行星WASP-96 b是一顆系外行星，顧名思義，這是一顆太陽系之外，圍繞其他恒星運行的行星。這顆行星的質量大約是木星的一半，距離中央恒星非常近，公轉周期僅3.4個地球日，表面溫度非常高，比較適合做光譜分析。
圖注：系外行星WASP-96 b光譜。
4、斯蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet)是一個星系群，看上去是由五個星系構成，但其中只有四個星系靠得比較近，存在顯著的引力相互作用，構成真正的星系群，觀測表明，它們正在發(fā)生合并。這個五重星系最早是由法國天文學家édouard Stephan發(fā)現(xiàn)的，因此命名為斯蒂芬五重星系。
圖注：斯蒂芬五重星系。
5、“韋布首張宇宙深場”照片，這是迄今為止人類在紅外波段下拍攝到的最古老、最清晰的宇宙景象。為了得到這張照片，韋布望遠鏡累計曝光了12.5個小時。
圖注：韋布首張“宇宙深場”照片，這是迄今為止人類在紅外波段下拍攝到的最古老、最清晰的宇宙景象。
這幅照片的中心區(qū)域是一個星系群（編號為SMACS 0723）。該星系群位于南天區(qū)，距離地球約46億光年，它充當了“放大鏡”（引力透鏡）的作用，能夠放大更加遙遠、更加古老的星系。仔細觀看還會發(fā)現(xiàn)，照片中有很多呈現(xiàn)長條形的光斑，這些光斑就是被星系群的引力扭曲的更加遙遠星系圖像。值得注意的是，照片中散發(fā)著明亮星芒的亮星，其實是我們銀河系內的前景恒星，距離我們相對較近。
圖注：韋布深空場與哈勃深空場比較（右）
此前，哈勃望遠鏡在同樣的區(qū)域也拍攝過一張宇宙深場照片，兩者對比可以看出清晰度差別很大。但要注意的是，哈勃的深場照片主要是在可見光下拍攝的，另加一小部分近紅外，而韋布完全是在近紅外線下拍攝的。
二、韋布望遠鏡比哈勃望遠鏡厲害在哪？
韋布望遠鏡是目前發(fā)射的最大太空望遠鏡，口徑達到了6.5米，由18塊六邊形鍍金鏡片拼接而成。相比之下，哈勃望遠鏡的口徑為2.4米。望遠鏡的口徑越大，一方面能夠收集更多的光子，看到更暗弱的天體；另一方面能夠增加分辨率，看清更多的細節(jié)。
圖注：哈勃望遠鏡和韋布望遠鏡主鏡大小比較。
韋布望遠鏡與哈勃望遠鏡最大的差異在于它們的工作波段不同。韋布望遠鏡主要工作在近紅外和中紅外光區(qū)，以及少部分可見光區(qū)，而哈勃則主要工作在可見光區(qū)和紫外光區(qū)，以及少部分近紅外光區(qū)。
得益于大口徑的紅外觀測能力，韋布望遠鏡有望觀測到早期宇宙中的恒星和星系，能夠加深我們對恒星和星系的形成以及演化的理解，甚至還能夠直接探測到系外行星的大氣成分，探索外星生命存在的跡象。
三、韋布望遠鏡是哈勃望遠鏡的繼任者？
韋布望遠鏡和哈勃望遠鏡一樣，都是耗資巨大的“旗艦級”天體物理項目，從這個意義上講可以看作哈勃望遠鏡的繼任者。但從嚴格科學意義上講，兩者更多的是互補關系。
圖注：韋布和哈勃的大小比較。
文章上面我們提到，韋布望遠鏡主要工作在近紅外和中紅外光區(qū)，以及少部分可見光區(qū)，而哈勃則主要工作在可見光區(qū)和紫外光區(qū)，以及少部分近紅外光區(qū)。韋布望遠鏡主要用于研究更加早期宇宙中恒星和星系的誕生過程。從科研目標上看，韋布望遠鏡更可以看作另一臺已退役了的紅外太空望遠鏡——斯必澤望遠鏡的繼任者。
哈勃望遠鏡1990年發(fā)射升空，迄今已度過32個春秋，雖然經歷過很多曲折，尤其是最近一段時間，計算機時常出現(xiàn)問題，但迄今仍然堅持為人類傳回精美的宇宙照片。不出意外的話，哈勃望遠鏡能夠工作至2030年代，甚至2040年代。
韋布望遠鏡與哈勃望遠鏡運行的軌道不同，前者運行在距離地球外側150萬公里的拉格朗日L2點，后者在距離地球僅500公里的軌道上運行。這意味著哈勃望遠鏡出現(xiàn)問題，還能夠在軌維修，而韋布望遠鏡一旦出現(xiàn)問題，按照目前人類的航天能力，還真愛莫能助。
韋布望遠鏡運行的L2點是不穩(wěn)定的，要靠消耗燃料動態(tài)維持，按照燃料的消耗速度，該望遠鏡的預期工作壽命為10年。估計到那時，哈勃望遠鏡仍健在。
四、韋布望遠鏡的主要科學目標是啥？
據(jù)官方資料，韋布望遠鏡主要有四大觀測目標，總結如下：
圖注：鏡片上的配圖體現(xiàn)了韋布望遠鏡的觀測目標（藝術圖）
1、觀測宇宙大爆炸之后不久第一批恒星和嬰兒星系發(fā)出的光芒；
2、研究星系的形成和演化；
3、理解恒星和行星系統(tǒng)的形成；
4、觀測系外行星上生命存在的跡象；
這些都是在紅外波段下能夠更加有效觀測的科學目標。
五、韋布望遠鏡和我國貴州FAST望遠鏡有什么區(qū)別？
身邊有朋友問到這個問題，這里也簡單回答一下。這兩種望遠鏡的區(qū)別可真是太大了，比韋布和哈勃的區(qū)別要大得多。
位于我國貴州的FAST望遠鏡，俗稱“天眼”望遠鏡，口徑達到了500米，但FAST望遠鏡是地基望遠鏡，主要在射電波段（波長在0.1米到4.3米）工作。由于大氣層對射電波段的透明度較好，這種類型的望遠鏡在地面上工作得就很好。
韋布望遠鏡是紅外望遠鏡，地球大氣層中的水蒸氣和二氧化碳對紅外線的吸收比較強烈，因此要發(fā)射到太空中去觀測，復雜程度和造價指數(shù)升高。
六、中國什么時候能有自己的太空望遠鏡？
根據(jù)規(guī)劃，我國將在2023年發(fā)射與空間站共軌伴飛的“巡天”號光學艙，這被譽為中國版的哈勃望遠鏡，該望遠鏡是我國迄今為止規(guī)模最大、指標最先進的空間天文望遠鏡。
圖注：巡天號光學艙（藝術圖）。
據(jù)相關報道，“巡天”號光學艙安裝有口徑達2米的光學望遠鏡，分辨率與哈勃相當，大約0.15角秒，但視場是哈勃的300多倍，這意味著它的巡天效率更高。據(jù)估算，如果在軌10年，可以對40%以上的天區(qū)進行觀測，期待能不斷刷新我們對宇宙的認識。
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