五张照片，五个宇宙奇观：史上最牛太空望远镜都看到了啥？

北京时间2022年7月12日22时30分左右，天文学家陆续公布了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）拍摄的首批照片。这组照片包含：船底座星云、南环星云、系外行星WASP-96 b光谱图、斯蒂芬五重星系以及韦伯首张宇宙深场图（Webb's First Deep Field）。

 

韦伯太空望远镜是由美国航空航天局（NASA）主导研发的大型红外太空望远镜，也是迄今为止口径最大的太空望远镜。该望远镜总耗资约100亿美元，历时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。下面我们来赏析一下这台百亿美元望远镜首次公布的宇宙靓照合集。

 

一、五张照片，五个宇宙奇观

1、船底座星云（Carina Nebula），距离地球大约8500光年，位于南部天空的船底座方位。该星云内部孕育着大量的大质量恒星，其中就有著名的船底座η恒星系统，该恒星系统以经常发生大喷发、亮度迅速变化而著名。其实，船底座星云比猎户座大星云还要大四倍，但由于位于南方天区，直到1752年才由法国天文学家拉卡伊在非洲好望角发现并记录下来。

图注：船底座星云，该星云内部孕育着大量的大质量恒星。

2、南环星云（Southern Ring Nebula），又称八裂星云，距离地球约2000光年，位于船帆座方位。这是一个行星状星云，是由类似太阳的恒星死亡后喷发的物质形成的环状结构。中心区域有一颗白矮星，温度可达10万度，它发出的紫外线激发了周围气体发光。

图注：南环星云（行星状星云），距离地球约2000光年。

3、系外行星WASP-96 b是一颗系外行星，顾名思义，这是一颗太阳系之外，围绕其他恒星运行的行星。这颗行星的质量大约是木星的一半，距离中央恒星非常近，公转周期仅3.4个地球日，表面温度非常高，比较适合做光谱分析。

图注：系外行星WASP-96 b光谱。

4、斯蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet)是一个星系群，看上去是由五个星系构成，但其中只有四个星系靠得比较近，存在显著的引力相互作用，构成真正的星系群，观测表明，它们正在发生合并。这个五重星系最早是由法国天文学家Édouard Stephan发现的，因此命名为斯蒂芬五重星系。

图注：斯蒂芬五重星系。

5、“韦伯首张宇宙深场”照片，这是迄今为止人类在红外波段下拍摄到的最古老、最清晰的宇宙景象。为了得到这张照片，韦伯望远镜累计曝光了12.5个小时。

图注：韦伯首张“宇宙深场”照片，这是迄今为止人类在红外波段下拍摄到的最古老、最清晰的宇宙景象。

这幅照片的中心区域是一个星系群（编号为SMACS 0723）。该星系群位于南天区，距离地球约46亿光年，它充当了“放大镜”（引力透镜）的作用，能够放大更加遥远、更加古老的星系。仔细观看还会发现，照片中有很多呈现长条形的光斑，这些光斑就是被星系群的引力扭曲的更加遥远星系图像。值得注意的是，照片中散发着明亮星芒的亮星，其实是我们银河系内的前景恒星，距离我们相对较近。

 

图注：韦伯深空场与哈勃深空场比较（右）

此前，哈勃望远镜在同样的区域也拍摄过一张宇宙深场照片，两者对比可以看出清晰度差别很大。但要注意的是，哈勃的深场照片主要是在可见光下拍摄的，另加一小部分近红外，而韦伯完全是在近红外线下拍摄的。

 

二、韦伯望远镜比哈勃望远镜厉害在哪？

 

韦伯望远镜是目前发射的最大太空望远镜，口径达到了6.5米，由18块六边形镀金镜片拼接而成。相比之下，哈勃望远镜的口径为2.4米。望远镜的口径越大，一方面能够收集更多的光子，看到更暗弱的天体；另一方面能够增加分辨率，看清更多的细节。

 

图注：哈勃望远镜和韦伯望远镜主镜大小比较。

韦伯望远镜与哈勃望远镜最大的差异在于它们的工作波段不同。韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区，以及少部分可见光区，而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区，以及少部分近红外光区。

 

得益于大口径的红外观测能力，韦伯望远镜有望观测到早期宇宙中的恒星和星系，能够加深我们对恒星和星系的形成以及演化的理解，甚至还能够直接探测到系外行星的大气成分，探索外星生命存在的迹象。

 

三、韦伯望远镜是哈勃望远镜的继任者？

 

韦伯望远镜和哈勃望远镜一样，都是耗资巨大的“旗舰级”天体物理项目，从这个意义上讲可以看作哈勃望远镜的继任者。但从严格科学意义上讲，两者更多的是互补关系。

 

图注：韦伯和哈勃的大小比较。

文章上面我们提到，韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区，以及少部分可见光区，而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区，以及少部分近红外光区。韦伯望远镜主要用于研究更加早期宇宙中恒星和星系的诞生过程。从科研目标上看，韦伯望远镜更可以看作另一台已退役了的红外太空望远镜——斯必泽望远镜的继任者。

 

哈勃望远镜1990年发射升空，迄今已度过32个春秋，虽然经历过很多曲折，尤其是最近一段时间，计算机时常出现问题，但迄今仍然坚持为人类传回精美的宇宙照片。不出意外的话，哈勃望远镜能够工作至2030年代，甚至2040年代。

 

韦伯望远镜与哈勃望远镜运行的轨道不同，前者运行在距离地球外侧150万公里的拉格朗日L2点，后者在距离地球仅500公里的轨道上运行。这意味着哈勃望远镜出现问题，还能够在轨维修，而韦伯望远镜一旦出现问题，按照目前人类的航天能力，还真爱莫能助。

 

韦伯望远镜运行的L2点是不稳定的，要靠消耗燃料动态维持，按照燃料的消耗速度，该望远镜的预期工作寿命为10年。估计到那时，哈勃望远镜仍健在。

 

四、韦伯望远镜的主要科学目标是啥？

 

据官方资料，韦伯望远镜主要有四大观测目标，总结如下：

 

图注：镜片上的配图体现了韦伯望远镜的观测目标（艺术图）

1、观测宇宙大爆炸之后不久第一批恒星和婴儿星系发出的光芒；

 

2、研究星系的形成和演化；

 

3、理解恒星和行星系统的形成；

 

4、观测系外行星上生命存在的迹象；

 

这些都是在红外波段下能够更加有效观测的科学目标。

 

五、韦伯望远镜和我国贵州FAST望远镜有什么区别？

 

身边有朋友问到这个问题，这里也简单回答一下。这两种望远镜的区别可真是太大了，比韦伯和哈勃的区别要大得多。

 

位于我国贵州的FAST望远镜，俗称“天眼”望远镜，口径达到了500米，但FAST望远镜是地基望远镜，主要在射电波段（波长在0.1米到4.3米）工作。由于大气层对射电波段的透明度较好，这种类型的望远镜在地面上工作得就很好。

 

韦伯望远镜是红外望远镜，地球大气层中的水蒸气和二氧化碳对红外线的吸收比较强烈，因此要发射到太空中去观测，复杂程度和造价指数升高。

 

六、中国什么时候能有自己的太空望远镜？

 

根据规划，我国将在2023年发射与空间站共轨伴飞的“巡天”号光学舱，这被誉为中国版的哈勃望远镜，该望远镜是我国迄今为止规模最大、指标最先进的空间天文望远镜。

 

图注：巡天号光学舱（艺术图）。

据相关报道，“巡天”号光学舱安装有口径达2米的光学望远镜，分辨率与哈勃相当，大约0.15角秒，但视场是哈勃的300多倍，这意味着它的巡天效率更高。据估算，如果在轨10年，可以对40%以上的天区进行观测，期待能不断刷新我们对宇宙的认识。

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