论JWST的科学意义：探索宇宙深处和尘埃背后的外星世界！3354认识韦伯太空望远镜(4)

作者/林彦星|清大理大学学士班，努力在阴沟里仰望星空。在谈完JWST的起源、技术和运行轨道之后，本系列的最后一章将带你了解天文学家在花费数百亿美元之后，希望韦伯能在哪些领域带来突破？

背景图//illustris模拟。制图/林彦星

追寻起源：早期宇宙与星系演化

月球距离我们大约38万公里，光到达地球大约需要1.3秒，所以我们看到的月球是1.3秒前的月球；同样，我们看到的太阳是500秒前的太阳；我们看到的仙女座星系是250万年前的。在宇宙中，我们看得越远，看到的东西就越古老。从某种意义上说，望远镜就像一台时光机，可以让我们一窥宇宙从诞生到现在的演变过程。

1995年，一群天文学家向哈勃太空望远镜申请进行一次疯狂的观测。他们选择将哈勃太空望远镜对准天空中一个看似空旷的区域，连续曝光140个小时。他们的图像将成为天文学史上最重要的照片之一，它被称为哈勃深场。

哈勃深空图像。图//罗伯特威廉斯(NASA、ESA、STScI)天文学家惊讶地发现，这片看似空旷的区域，其实布满了成千上万个遥远、古老、昏暗的星系。与银河系这样的中老年星系相比，哈勃拍摄到的深空中的许多星系都是刚刚形成的，而且相当年轻，充满活力。恒星疯狂诞生的星系与现在宇宙中的星系截然不同，非常有趣。望远镜就像一台时间机器，让我们得以一窥过去130亿年的宇宙演化史，哈勃深空图像也因此成为早期研究宇宙和星系演化的重要里程碑。

然而，当哈伯想要深入更遥远、更古老的宇宙时，他逐渐变得无能为力。原因是典型星系发出的光主要是可见光，但是这些古老星系发出的可见光在去往地球的过程中会随着宇宙的膨胀而红移。星系越远，红移越严重。因此，对于非常遥远的星系，当它们发出的可见光到达地球时，已经被宇宙红移到红外波段。所以，如果只能观测紫外线到近红外线，很难看到哈勃。

这个时候，韦伯就该出来了。专门研究红外波段的韦伯将能够帮助天文学家看到宇宙中第一批恒星和星系的形成，以及这些恒星和星系如何与周围环境相互作用。

JWST将帮助天文学家揭示宇宙的早期演化，包括宇宙的再电离和第一批恒星和星系的形成。图//STScI在宇宙学方面，JWST将使宇宙学家能够深入探索宇宙的“再电离”过程。这是早期宇宙研究中最重要的课题之一。宇宙大爆炸后38万年，宇宙中的氢以原子的形式存在(称为中性氢)。然而，在今天的宇宙中，大部分氢以自由状态存在。天文学家推测，正是宇宙中第一批星系和黑洞发出的强烈辐射，离解出宇宙中的中性氢，使得宇宙中大部分物质的状态发生这样的变化。然而，无论再离解过程如何发生，现在无论是观测还是理论都无法给出统一的答案，仍需要JWST等新一代望远镜的进一步探索。此外，如前所述，JWST将使我们能够看到哈勃太空望远镜所看到的更古老的星系。这些尚处于婴儿期的星系有什么特征？它是如何演化成我们现在宇宙中看到的星系的？这些也是JWST将帮助天文学家回答的问题。

宇宙模拟团队THESAN进行了宇宙的再分解模拟。可以看到星系像吹泡泡一样把中性氢变成自由态。Shadow//THESAN模拟天文学家模拟了韦伯和哈勃在近红外波段观测类星体及其宿主星系的效果。可以看出，在近红外波段，韦伯的分辨率明显优于哈勃，这使得天文学家可以清晰地区分类星体与其宿主星系，以便进一步研究。图/M .马歇尔(墨尔本大学)

恆星摇篮：看穿恆星形成区

恆星是天文物理最古老的研究对象之一。数十年来，天文学家对于恆星的类型、内部结构、演化历程都有相当详细的了解。然而，星际间瀰漫的云气究竟是如何聚集成一颗一颗的恆星，以及其周围的行星系统，却还有很多不清楚的地方。

典型的观点认为，恆星诞生于巨大分子云（GMC）之中。当分子云中的气体在重力的影响下逐渐聚集，就会形成紊乱而複杂的纤维状（filament）的结构。

而在这些结构的高密度区域，随着温度、压力与密度不断提高，最终会点燃核融合反应，形成一颗颗的恆星。虽然大致的图像有了，但是这整个过程不仅横跨巨大的时间与空间尺度，更牵涉到磁流体力学、辐射、化学反应链等一系列複杂的物理与化学过程，因此上述的许多细节，仍是天文学家们努力研究的题目。

然而，由于这些恆星的形成区，往往被浓密的气体与尘埃所包围，因此当天文学家使用可见光观测时，往往只能看到黑压压一片，难以窥探云气神秘的核心之中，恆星究竟是怎么演化的。此时，红外线的优势再次展现。由于波长较长，红外线比可见光和紫外线，更能够穿过层层的星际云气而不被吸收，因此可以帮助天文学家直击初生恆星的核心区域。

除了恆星本身之外，恆星形成时环绕在其周遭的「原恆星盘（Protoplanetary disk）」也是行星诞生的温床。利用 ALMA 等次毫米波（介于远红外线到无线电波之间）望远镜，天文学家发现许多初生的恆星系统旁，都围绕着浓密的气体与尘埃盘。不仅如此，它们还发现这些盘面上，常有许多大小不一的间隙（gap），很可能就是来自正在形成中的行星。在少数的系统中，天文学家甚至能够直接拍摄到这些正在襁褓中的系外行星们。而 JWST 在红外波段的观测，将能够让天文学家更进一步了解这些行星（尤其是靠近恆星的类地行星们）的形成。

外星世界：凝视太阳系与系外行星

「我们在宇宙中是孤独的吗？」

这个问题虽然至今仍没有答案，但过去 25 年，天文学家对外星世界的认识已经有了巨大的进展。曾经，系外行星是只存在于假想中的天体；但现在，天文学家已经发现了超过 4,000 颗，随着资料的不断更新（主要归功于 TESS 卫星的努力），这个数量还会持续上涨。

想了解系外行星学的发展历史？这首 Acapella Science 的作品绝对是最棒的入门！

但是，天文学家虽然知道这些系外行星的存在，对这些外星世界的了解却还相当有限，原因是系外行星实在是太小太暗了。对于多数的系外行星，天文学家都只能用一些间接的方法，测量它们的质量、半径、轨道週期等相对粗略的特性，并且估计这个行星是否处于适合生命生存的「适居带（Habitable Zone）」之内。

JWST 强大的能力将帮助天文学家突破困境。它能够以两种主要的方式观测系外行星：一种是趁着系外行星绕行到其母恆星前方时，观测整个系统的光谱，并找出其中由系外行星的大气所贡献的吸收谱线，这种方法被称为「凌日光谱学 （Transit Spectroscopy）」；另外一种方式是藉由「日冕仪（Coronograph）」遮挡住来自母恆星的光线，直接拍摄并取得系外行星的光谱，这种做法被称为「直接影像法（Direct Imaging）」。结合这两种方式，JWST 将能够让天文学家对系外行星的认识不再只有多大、多重、多远这些浅显的描述，而是能知道大气的组成、温度与垂直结构，以及它们随着季节、轨道半径等其他因素的变化，深入地了解这些外星世界，甚至是寻找生命可能存在的迹象。

除了遥远的系外行星之外，JWST 对于太阳系内的观测其实也能有很大贡献喔！举例来说，JWST 拥有的中红外波段的光谱观测能力，既然可以分析系外行星的化学组成，当然也可以拿来分析太阳系内的小天体，如小行星、彗星、古柏带天体等等，补足地面天文台无法观测中红外线留下的资讯空缺。此外，对于火星、四大巨行星、以及土卫六泰坦的研究，都是 JWST 可能的观测目标。

未来精彩可期

从 1996 到 2021，从「新世代太空望远镜」到「詹姆士．韦伯太空望远镜」，天文学家的超级红外线太空望远镜之梦，走过了漫长而曲折的发展历程。25 年后的今天（10 月 17 日），JWST 已经搭乘海运抵达位于南美的法属圭亚那太空中心，準备在 12 月 18 日搭乘亚利安 5 号火箭（Ariane 5），前往日地第二拉格朗日点（L2），以前所未有的性能，展开对宇宙、星系、恆星与行星的深入研究。更重要的是，每当一代更新、更强大的仪器成军，天文学家不仅期待它回答上述「现有」的问题，更希望它能将人类的视野，开拓至我们从未想过的领域。韦伯究竟会带来怎样的惊喜，就让我们拭目以待！

参考文献

• 综合
  1. Science Themes
  2. Science Themes – Webb/NASA
  3. White Papers
• 早期宇宙／星系演化
  1. Simulations Show Webb Can Reveal Distant Galaxies Hidden in Quasar
  2. 星系的起源与演化——王为豪教授主讲
• 恆星与行星形成
  1. NASA’s Webb to Explore Forming Planetary Systems
  2. Webb to Study How Stars’ Blasts of Radiation Influence Environments
• 系外行星
  1. NASA’s Webb to Explore a Neighboring, Dusty Planetary System
  2. 放眼系外行星的新一代望远镜：HabEx 太空望远镜

内容来源网络，如有侵权，联系删除，本文地址：https://www.230890.com/zhan/188489.html