韦布空间望远镜如何改变宇宙学？

韦布空间望远镜如何改变宇宙学？

韦布空间望远镜（JWST）自2022年7月开始科学观测以来，已经彻底改变了人类对宇宙的认知。从最遥远的星系到神秘的黑洞，从恒星形成到行星系统的演化，韦布空间望远镜的高灵敏度和宽波段观测能力为我们揭示了一个前所未见的宇宙图景。

这张展示了同一天体（即环状星云）的三种不同视角：来自哈勃空间望远镜的图像（左）、韦布空间望远镜的近红外摄谱仪（NIRCam）图像（中）和中红外成像光谱仪（MIRI）图像（右）。在更长的波长上，可见光无法观测到的细节得以壮丽地呈现。韦布空间望远镜的高灵敏度首次揭示了环状星云中的许多特征

在韦布空间望远镜投入使用之前，人类已经积累了大量关于宇宙的知识，但仍然面临着许多未解之谜。例如，暗物质和暗能量的本质是什么？宇宙的真实膨胀速度到底有多快？第一代恒星和星系是在什么时候形成的？超大质量黑洞是如何产生的？类似太阳的恒星和类似地球的行星又是如何诞生的？

现在，韦布空间望远镜的科学运行已超过两年，它不仅打破了多项宇宙学记录，还带来了许多令人惊喜的新发现。这些发现不仅验证了现有的宇宙学理论，还提出了新的问题和挑战。

韦布空间望远镜的能力与局限

韦布空间望远镜是一台具备高分辨率的大型低温望远镜，专为观测长波段（从0.6至约28微米）宇宙信号而优化，能在数十个不同波段下成像，并对单个天体进行分光观测。然而，韦布空间望远镜也存在一些重要的局限性：它的视场很窄，无法一次性观测到宇宙的大片区域；它的观测申请竞争极为激烈，在1份观测申请被接收的同时，会有另外10份高质量的观测申请被拒绝；对单个目标进行分光观测所需要的时间远比成像观测多，这严重限制了可进行光谱分析的天体数量；它无法在多个滤波片下同时成像。观测的波段越多，所需的观测时间也就越长。

韦布空间望远镜的突破性发现

最遥远的星系

韦布空间望远镜常被誉为“宇宙时光机”，因为它比历史上任何光学或红外望远镜都能看到更遥远的宇宙过去。例如，在韦布空间望远镜之前，已知宇宙中最遥远的星系是由哈勃空间望远镜观测到的GN-z11，早在2016年它就创下了宇宙学最远距离记录。当韦布空间望远镜于2022年开始科学运行时，GN-z11仍然是人类已知的最遥远星系。然而到了2024年底，GN-z11不仅不再是纪录保持者，甚至已跌出前十。当前最遥远的十个星系均由韦布空间望远镜发现，或借助韦布空间望远镜探测到的关键特征来确认其极远的距离，其中韦布空间望远镜高级深星系外巡天（JADES）合作团队发现并确认了目前的宇宙最远距离纪录保持者：JADES-GS-z14-0。

这个超遥远星系在许多方面都引人注目。它的光来自大爆炸后仅2.85亿年，当时宇宙的年龄仅为当前年龄的2.1%。它与一个更亮的前景星系重叠，但凭借韦布空间望远镜的超高分辨率，我们能将两者区分开来，揭示出更遥远的背景星系的详细信息。它的红移值为14.32，意味着在韦布空间望远镜观测到它时，我们接收到的光相较于其原始发射波长已被额外拉长了14.32倍。

然而，这个星系的两个特性出乎科学家的意料。首先，这个星系非常明亮：其亮度不仅超出当前主流理论的预期，甚至远超此前韦布空间望远镜观测到的其他超遥远星系。其次，星系中几乎没有尘埃，这一点同样与现有理论相悖。

原星系团

韦布空间望远镜还打破了其他多项宇宙学距离记录。它发现了迄今最早的原星系团：它在一片狭小天区内发现7个独立星系有着精确且相同的红移值7.88，对应于大爆炸后仅6.5亿年。这一原星系团被称为A2744z7p9OD，较之前的纪录早了1.5亿年。此外，许多早期星系不再是无法相互区分的红点，而是表现为延展天体，其中一些甚至可能显示出存在卫星星系的特征——这是在韦布空间望远镜的能力下才能观测到的细节。

在这次韦布空间望远镜公布的早期数据中，还发现了数百个超遥远星系候选体，其中数十个有望刷新韦布空间望远镜新创下的纪录。在2023年的一项研究中，韦布空间望远镜偶然发现了有史以来最遥远的引力透镜。此外，韦布空间望远镜还帮助发现了许多迄今最遥远的超大质量黑洞（包括已知最遥远的四个），其中包括一个在星系UHZ1中发现的备受关注的黑洞：韦布空间望远镜（红外观测）和钱德拉X射线天文台（X射线观测）联手发现了一个质量约为银河系中心黑洞两倍的超大质量黑洞，但该星系中的恒星总质量却仅约为太阳质量的一千万倍。尽管韦布空间望远镜能观测到这些天体并不令人惊讶，但这些黑洞与星系中恒星的质量比却完全出乎意料。

其他重要发现

韦布空间望远镜还进行了许多看似“平常”的观测：对一些吸引了好几代天文学家的天体进行了追踪观测，这些天体此前已被观测过数百次。例如，韦布空间望远镜观测了蟹状星云——一个超新星遗迹，诞生于1054年一次大质量恒星的核心坍缩。自此后的970年里，蟹状星云不断扩张，目前已横跨约11光年，充分展示了超新星爆炸的威力（即使是千年之后）。凭借对此前观测无法分辨的细微特征的高灵敏度，韦布空间望远镜有望解开蟹状星云的质量之谜：中心脉冲星加上超新星抛射物的总质量为何达不到引发核心坍缩超新星所需的最小质量（约8个太阳质量）。

在对猎户座星云（距离地球最近的大型恒星形成区）的观测中，韦布空间望远镜不仅对原恒星进行了更清晰的成像，还绘制了其中中性物质和尘埃的分布图。当然，韦布空间望远镜虽然在这些工作中大获成功，但它也发现了一些完全出乎意料的东西：大量木星质量（甚至超木星质量）的行星在这些恒星诞生区内自由漂浮，这些行星不依附任何类型的母恒星。不仅这些行星的发现出乎意料，其中有高达9%的行星还成对出现，彼此相互束缚，形成了木星质量双星天体（JuMBO）。在韦布空间望远镜之前，人们甚至不知道有这类天体存在。

众多地基和空间望远镜在不同波段上对北落师门系统进行了观测。然而，目前只有韦布空间望远镜能够分辨出该系统内部的尘埃碎片区域。此前，赫歇尔空间天文台、哈勃空间望远镜和阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列的观测数据都显示出北落师门系统中存在一个内盘和一个外带，而韦布空间望远镜的观测则揭示了两者之间的一条“中间带”。这一发现完全出乎意料，与太阳系中仅有的小行星带和柯伊伯带不同

当韦布空间望远镜深入观测备受研究的“艾尔 · 戈尔多”（El Gordo）星系团内部时，它发现了壮观的引力透镜现象。这正是我们在这样一个大质量而遥远的星系团中所期望看到的，它的引力会弯曲和扭曲其所在时空。因此，背景天体的光线被引力透镜效应扭曲、拉伸并放大，通常同时出现多个星像。然而，在这片天区中还观测到了一些前所未见的天体：一颗位于宇宙学距离上的红超巨星，这只有在韦布空间望远镜的高灵敏度与艾尔 · 戈尔多星系团的透镜特性相结合时才得以观测到。这颗红超巨星被命名为“Quyllur”（意为“星星”），距地球超过100亿光年。

与此同时，韦布空间望远镜还观测了大量相对较近的星系，这些星系具备以下三个重要特征：它们富含造父变星，这是一类特殊类型的恒星，其亮度随时间的变化存在众所周知的关系；在这些星系中曾观测到至少1颗Ia型超新星，这使得它们在利用宇宙距离阶梯法测量宇宙膨胀速度中扮演重要的“连接阶梯”角色；这些星系距离足够远，以至于哈勃等现有望远镜在这些密集星场中难以分辨出单个造父变星。

这一密集星场问题是否会对宇宙距离梯造成偏差？韦布空间望远镜能够提出并回答这个问题，答案是响亮的：“不会！”这表明“哈勃常数危机”和宇宙膨胀的未解之谜一如既往地存在着，而韦布空间望远镜极大地减少了可能的误差来源。

然而，韦布空间望远镜最令人震惊的发现之一可能来自对近邻亮星北落师门的观测。北落师门是夜空中最亮的20颗恒星之一，距离我们只有约25光年。它也是一个非常年轻的恒星系统，年轻到它周围仍有一个富含尘埃的碎片盘，而太阳系在近40亿年前就失去了这种尘埃盘。此前，有迹象表明这个系统中可能存在系外行星，因此韦布空间望远镜将观测时间分配给了一支想要寻找该行星的研究团队。凭借其高分辨率和对长波红外光的灵敏度，韦布空间望远镜有望直接对该系统中的潜在行星进行成像。

然而，观测结果却完全出乎意料。在寻找潜在行星时，韦布空间望远镜却发现了：一个内部盘，对应于内行星及类小行星带；一个外侧环，类似柯伊伯带，之前已由哈勃空间望远镜和阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）观测到；内部盘与外部环之间的两个间隙，可能是系外行星所在的区域（尽管韦布空间望远镜未直接观测到这颗行星）；还有最让人惊讶的一条中间带，这在太阳系中没有任何对应物。

这个令人震惊却又惊喜的发现正促使我们提出一个从未想到的问题：一个典型的恒星系统究竟有多少个“带”结构？我们拥有的两个带（小行星带和柯伊伯带）是常见的，还是不常见的，抑或是一种宇宙罕见现象？

从宇宙学视角来看，韦布空间望远镜既向我们展示了许多意料之中的现象，也带来了大量的惊喜。它打破了多项宇宙学距离纪录：最遥远的星系、最遥远的星系团、最遥远的红超巨星、最遥远的引力透镜以及最遥远的超大质量黑洞等。但是它告诉我们的有关宇宙的知识，尤其是在宇宙演化方面，还包含了在韦布空间望远镜向人类展示其发现潜力之前没人能预料到的惊喜。

像太阳系一样的恒星系统一般会有两个带、三个带，还是其他数量的带？哪种结构最为普遍？（在韦布空间望远镜之前我们并未想到这一问题。）

恒星形成时会孕育哪些类型的非恒星系统？超级木星质量行星和包含木星质量二体天体的系统仅仅是冰山一角吗？在韦布空间望远镜之前，我们并不知道木星质量双星天体的存在。

宇宙中的超大质量黑洞究竟是如何形成的？韦布空间望远镜的这些发现是否排除了它们由第一代恒星形成的可能性？答案似乎是肯定的，令人难以置信！

随着造父变星的密集星场问题被排除在“哈勃常数危机”的成因之外，这一现象的最终解释是什么？这一问题仍未解决，但已排除了一个可能的干扰因素。

尽管韦布空间望远镜观测到的最早期星系的数量和亮度最初令人惊讶，但这些星系与我们宇宙的“共识图景”是否真正一致？答案似乎也是肯定的，这些星系的特性主要归因于爆发式恒星形成和超大质量黑洞活动对光的增强效应。

韦布空间望远镜已经为我们提供了大量有关宇宙的信息，包括宇宙是什么样的、它是如何成长起来的以及它是如何创造出与太阳系既不同又相似的恒星和行星系统的。在未来约20年的科学运行中，唯一能确定的是，韦布空间望远镜所创下的纪录、提出并开始回答的科学问题，都预示着未来还将会有更多的发现。