天文学家对JWST迄今为止取得的成就感到“惊讶”和“震惊”。

发射仅一年后，詹姆斯韦伯太空望远镜就超出了所有人的预期，天文学家们感到非常兴奋。

这个耗资100亿美元的红外天文台于2021年12月25日发射，旨在了解星系如何形成和生长，向宇宙中窥视第一个星系的时代，以前所未有的细节观察恒星在其模糊的胚胎中诞生，并探测系外行星的大气层并描述一些最近的岩石世界。

然而，詹姆斯韦伯太空望远镜（韦伯或JWST）的复杂性，包括其折叠式，分段的21英尺（6.5米）镜子和网球场大小的精致遮阳板，意味着天文学家对JWST是否会像预期的那样表现得很紧张。

事实证明，他们不必担心。“我想我们真的没想到结果会这么好。”亚利桑那大学斯图尔德天文台的天文学家布伦达弗莱告诉媒体。

詹姆斯·韦伯太空望远镜于 2021 年 12 月 25 日从法属圭亚那乘坐阿丽亚娜 5 号火箭发射。（图：NASA/Bill Ingalls）

“这太神奇了！”英国利物浦约翰摩尔斯大学的天体物理学家史蒂夫·朗莫尔告诉媒体，“它至少提供了与我们预期的一样好，而且在很多情况下更好。”

如果它超过了自己的目标，它肯定会超过它的前辈。“这比我们以前看到的要好得多，”来自马里兰州太空望远镜科学研究所（STScI）的JWST副项目科学家Susan Mullally告诉媒体，“老实说，被图像所震撼。图像很美。”

海王星环

JWST表现如此出色的主要原因是其最高级的光学器件，能够在望远镜观测的大多数红外波长下实现其最大潜在分辨率。这一成功意味着JWST的图像具有哈勃太空望远镜和美国宇航局退役的斯皮策太空望远镜等无法获得的清晰度，或者地面上更大的望远镜，例如夏威夷凯克天文台的望远镜，其视野被地球大气层模糊。

但是有了JWST，曾经无法区分的单个恒星现在可以解决;非常遥远的星系的结构现在可以辨别;甚至附近的东西，如海王星环，也以几十年来看到的最详细的内容弹出。

詹姆斯韦伯太空望远镜对海王星的壮丽景色，其环清晰可见。（图片来源：NASA/ESA/CSA/STScI）

“当JWST的海王星图像第一次出现时，海蒂（哈默尔，JWST的跨学科科学家和太阳系外行星的专家）和我都看着它们，然后互相看着对方问，'我们真的在看海王星吗'？”马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的天文学家Naomi Rowe-Gurney告诉媒体。

虽然凯克天文台已经对海王星环进行了成像，但我们在JWST之前最令人印象深刻的景象来自1989年旅行者2号的飞越。“自从旅行者2号以来，海蒂就没有见过戒指，我从来没有见过这样的戒指，因为旅行者号在我出生之前就已经存在了！”罗-格尼说。

通常，明亮物体周围的微弱细节或特征，例如蓝色海王星周围的黑暗和脆弱的环，很难在明亮物体的眩光下看到。为了抵消这一点，仪器需要具有“高动态范围”的特性，以同时接收微弱和明亮。

“我们没有意识到JWST将具有如此惊人的动态范围，并且能够解决非常微弱的东西，如海王星环和木星的小卫星和环。”Rowe-Gurney说。

外星大气层

JWST正在审查的不仅仅是我们太阳系的行星。该望远镜的一个关键目的是使用一种称为透射光谱的技术来检测系外行星大气的组成。当一颗行星凌日它的恒星时，恒星的光穿过行星的大气层，但大气中的原子和分子可以阻挡一些特征波长的光，从而泄露大气的成分。

JWST发布的第一个系外行星结果是WASP-39b的透射光谱，WASP-39b是一颗“热木星”系外行星，围绕700光年外的类太阳恒星运行。JWST在WASP-39b的大气中检测到二氧化碳，这是第一次在系外行星上检测到这种气体。其他存在的气体包括一氧化碳，钾，钠，水蒸气和二氧化硫，其中最后一种气体只能通过光化学产生，当大气气体与来自行星恒星的紫外线发生反应时 - 首先是另一颗系外行星。

詹姆斯·韦伯太空望远镜对WASP-39b大气成分的分析。（图片来源：NASA/ESA/CSA/J. Olmsted （STScI））

“我一直对我们如何处理系外行星数据感到惊讶，比如在WASP-39b大气中发现的二氧化碳和光化学，”穆拉利说。“这真的很酷，我不记得人们提前谈论[检测光化学]。我真的很期待看到我们能用围绕冷M矮星运行的类地系外行星做些什么，看看它们的大气层是由什么组成的。

特别是，由四个世界组成的TRAPPIST-1行星系统绕着40光年外的M矮星运行，是JWST的关键目标。初步结果未能探测到TRAPPIST-1一些行星周围的厚厚的氢层，是在12月在STScI举行的会议上发布的，但我们必须耐心等待这些行星的更全面结果，其中多达四颗可能位于其恒星的宜居带。

WASP-39b很容易成为第一个目标，因为它的恒星很亮，而且行星的信号很强。像TRAPPIST-1这样的M矮星尽管更近，但要暗淡得多。

“我们必须等到我们能够获得足够的这些家伙的过境来建立信噪比，因为你不能只用一两次过境来做到这一点，”穆拉利说，“我认为我们将不得不至少等到第1周期观测（2023年夏季）结束，然后才能说他们是否发现了任何真正壮观的东西。

近处和远处的恒星形成

JWST任务的另一个方面不仅是观察系外行星，而且更好地了解它们及其恒星是如何形成的。特别是恒星的形成是理解它的关键过程，因为它连接了宇宙中近处和远处的许多事物。

Longmore正在领导一项研究，使用JWST观察我们银河系中心区域疯狂的恒星形成，称为中心分子区，距离我们约26，000光年。我们银河系的中心拥有最集中的恒星，在我们的距离上，它们似乎都挤在一起 - 与哈勃太空望远镜等人无法区分 - 而大量的尘埃笼罩着它们中的大多数在光学光下。然而，用像JWST这样的大口径红外望远镜观察，这两个问题被推到了一边。

“这是JWST的两种能力，它们将把我的领域炸开，”Longmore说。望远镜精湛的光学系统能够分辨银河系中心的单个婴儿恒星，红外光将直接穿过尘埃到达天文台。

“通常，对于哈勃望远镜，这就像试图将望远镜对准一堵砖墙并透过它，”他补充说，“但JWST正在通过那堵墙上的窗户看，可以数出单个恒星。

恒星形成的创造之柱，由JWST在中红外成像，这肯定会成为一幅标志性的图片。（图：NASA/ESA/CSA/STScI/）

从银河系中心收集所有数据需要更长的时间，但那是因为它的环境非常复杂，到处都是明亮的漫射，所有这些都必须通过确定和仔细的数据处理与恒星形成的相关信号分开。

“在我参与的所有项目中，人们仍在与校准和其他事情作斗争，但希望在未来六个月内这种情况会改变，”Longmore说。他补充了一个有趣的故事，讲述了他的团队的一个观察结果是如何被图像上的一个神秘圆圈所破坏的。经过更深入的调查，发现这并不是什么神秘的新现象，而是JWST之前一直在观察明亮的木星，这颗巨行星的残像还没有从仪器的电子传感器中正确冲洗出来！

Longmore和他的同事们的目标是中心分子区，因为它是我们银河系中最类似于早期宇宙中恒星形成条件的区域，当时恒星形成率很高，密集的星团形成。在中心分子区，天文学家打算测量一种称为初始质量函数（IMF）的特性，它描述了恒星形成星云中恒星质量的范围。

目前，天文学家还不明白是什么决定了恒星为什么会随着它们拥有的质量而形成，只知道低质量恒星比发光的高质量恒星更常见，至少在局部宇宙中是这样。130多亿年前的第一个星系还是这样吗？回答这个问题可以帮助解释星系是如何形成的，以及是什么结束了宇宙的黑暗时代。

深场和第一个星系

在她看到乔·拜登总统揭示了JWST的第一张深场图像，即星系团SMACS 0723，这是一个“引力透镜”，其巨大的引力放大了它后面的物体，弗莱和她的学生，加州大学伯克利分校的马西莫·帕斯卡尔（Massimo Pascale）竞相分析图像。

“我们三天半没有睡觉，我们的论文是JWST数据提交的前两篇论文之一。”弗莱说。

他们一起发现了14个不同的高红移星系的42张新的引力透镜图像，这些星系位于如此遥远的地方，以至于膨胀的宇宙已经拉伸了它们的光，使它们看起来更红。随后进行了进一步的研究和更深的场，弗莱的团队和其他人发现了许多高红移候选者，包括一些红移破纪录的12、13及以上的星系;这些红移意味着我们看到星系在大爆炸后不到3亿年就存在了。

这些高红移星系已被证明是一个惊喜，因为它们看起来比星系形成模型预测的更明亮。

“一种可能的解释是，他们正在产生太多的高质量恒星，他们有一个头重脚轻的国际货币基金组织。”Longmore说，并指出在中心分子区测量IMF以了解年轻社区的恒星质量的重要性。

为什么国际货币基金组织在135亿年前会有所不同尚不清楚，但话又说回来，早期宇宙似乎比今天更加强烈。“在今天，星系一般不会如此活跃地形成恒星，但许多星系在早期宇宙中更积极地形成恒星。”弗莱说。

弗莱是PEARLS（再电离和透镜科学的主要河外区域）团队的成员。PEARLS是一个JWST项目，用于对各种深场进行成像，包括两个明显稀疏的天空区域和一些星系团和原星系团，以观察星系形成的最初几十亿年。

珍珠场朝向北极。插图是多种类型的星系，从相互作用的星系到红宝石尘埃恒星形成的星系。

去年12月，PEARLs团队发布了他们的第一个数据集，该数据集涉及靠近北极的遥远星系的非凡领域。这个区域位于银河系主平面的正上方，因此JWST经常可见，而且它也在黄道尘埃等干扰特征上方。

图像中是一大堆星系。有的相互作用，有的表现出明显的螺旋结构;该系列展示了从钴蓝到宝石红的各种颜色。弗莱对后者非常感兴趣。

“我们现在可以在PEARLS图像中观察到大量的红盘星系，我们认为这可能是红色螺旋。”弗莱说，“这种类型的星系非常有趣，因为它们类似于银河系年轻时的样子。”

变红是由这些星系中的大量尘埃引起的;尘埃是大质量恒星快速形成的结果，这些恒星在超新星爆炸中迅速死亡，并将大量尘埃泄漏到太空中。这样的星系对哈勃望远镜是完全隐藏的，但红外光可以穿过尘埃，使星系对JWST可见。

“这个类比是除夕烟花汇演，”弗莱说，“如果你有很多烟花在绽放，那么它们最终会被尘土飞扬的烟雾所掩盖。”

JWST自6月全面投入运营以来的六个月里一直在收集数据，给科学家们留下了深刻的印象，但真正的烟花仍然有待我们重大发现。

它进展缓慢，需要耐心，弗莱说：“对于任何一个人来说，在非常短的时间内研究或理解的东西太多了，我们需要很长时间来处理所有数据。”

不过，结果是值得的。

“这将彻底改变我们对我们在宇宙中的位置的理解，太阳系如何形成和演化，以及第一批恒星和星系是如何形成的，”穆拉利说，“我们在这架望远镜上取得了很大的进展，它将做一些壮观的事情。”