一文讀懂！這張照片憑什么值一百億？

2022年7月11日，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 的第一張彩色圖片正式發(fā)布，它立即就成了世界各地的網(wǎng)友們最熟悉的一張星空照片。

不過(guò)，問(wèn)題來(lái)了，這張照片為什么看起來(lái)這么亂——這里頭到底都拍了些啥？

其實(shí)，這張照片描繪的是一個(gè)叫做SMACS 0723.3-7327的星系團(tuán)，距離我們69億光年。這張照片里充滿了有趣的細(xì)節(jié)，算得上是一件具有里程碑意義的重要藝術(shù)品。

如果我們拿出欣賞《清明上河圖》這件不朽名作的勁頭，來(lái)仔細(xì)欣賞一下這張發(fā)布于小暑節(jié)氣之后的“小暑上天圖”，也能看到有趣的細(xì)節(jié)，并且沉浸其中。

01

“淺淺的弧線”

我們先從一些不太起眼的地方看起，“小暑上天圖”有很多絢爛多彩的高亮區(qū)域，但在相對(duì)黯淡的地方也有精彩的細(xì)節(jié)。

在圖1中，你能看到一些淺淺的弧線。它們雖然“黯淡”，但和照片中最驚人的巨大引力光弧一樣，都是星系團(tuán)產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)的杰作。

圖1

你或許聽(tīng)說(shuō)過(guò)，根據(jù)廣義相對(duì)論，引力能彎曲光線。在“小暑上天圖”的中間部分，正是SMACS 0723.3-7327星系團(tuán)的中心區(qū)域。星系團(tuán)巨大質(zhì)量帶來(lái)的顯著引力效應(yīng)使部分途徑此地并且射向我們的電磁波偏轉(zhuǎn)，造就了這些淺淺的弧線。

能讓光線彎曲的驚人引力效應(yīng)其實(shí)并不主要由你在照片中看到的明亮星系引起。實(shí)際上，星系團(tuán)身處于被天文學(xué)家稱為“暗物質(zhì)暈”的巨大不可見(jiàn)物質(zhì)聚集中，其尺度比整張照片還要大得多。描繪這些暗物質(zhì)的分布也是天文學(xué)家的重要使命之一。

在天文學(xué)家看來(lái)，那一條條彎曲的弧線，就好像是池塘中緩慢游動(dòng)的錦鯉，而暗物質(zhì)便是池水。我們無(wú)法看到清澈見(jiàn)底的池水，但我們知道，池水就在錦鯉與錦鯉之間——每多一條錦鯉，天文學(xué)家對(duì)暗黑宇宙的理解，就可以多增加一分。

02

“被‘扭曲’的星系”

圖2中的彎曲結(jié)構(gòu)，是“小暑上天圖”里最引人注意的東西了。

前面提到的暗物質(zhì)的引力透鏡效應(yīng)能將背景星系塑造成各種獨(dú)特的造型。圖2左面這個(gè)被扭曲的旋渦星系，看起來(lái)就很像是達(dá)利名作《融化的時(shí)鐘》里的那臺(tái)扭曲的鐘。

圖2

不過(guò)，更有意思的是其中的科學(xué)細(xì)節(jié)。圖2中兩個(gè)用橙色標(biāo)注出來(lái)的扭曲的星系，仿佛在盡力避免碰到身旁白色的星系。這個(gè)看起來(lái)很“扭曲”的姿態(tài)，也跟暗物質(zhì)有關(guān)。

那些白色的星系周圍，也存在著主宰者它們各自命運(yùn)的“子暗物質(zhì)暈”（Sub-Halo）。這些比星系團(tuán)暗物質(zhì)暈小的結(jié)構(gòu)，迫使橙色星系發(fā)出的光線“繞著走”，形成了扭曲的樣貌。這樣的結(jié)構(gòu)讓天文學(xué)家看到了星系團(tuán)暗物質(zhì)暈內(nèi)的“團(tuán)塊”。而觀察尺度的逐漸縮小，也能幫我們一點(diǎn)點(diǎn)逼近“暗物質(zhì)是什么”這個(gè)問(wèn)題的答案。

03

“珍珠般的亮點(diǎn)”

圖3的區(qū)域很小，但是如果放大了看，能看到星系周圍散落著一些珍珠般的小亮點(diǎn)。這些珍珠其實(shí)是在宇宙更早期的星系中誕生的一系列年輕的星團(tuán)。

圖3

此前，天文學(xué)家并沒(méi)有很好的條件直接觀測(cè)到這些“珍珠”，而現(xiàn)在他們也可以細(xì)致研究遙遠(yuǎn)星系中恒星的孕育了。

此外，和前面的“錦鯉”類似，每顆“珍珠”都提供了繪制暗物質(zhì)地圖的額外路標(biāo)。它們的精確位置可以告訴天文學(xué)家在比單個(gè)星系更小的尺度上暗物質(zhì)的分布如何？有沒(méi)有更細(xì)致的結(jié)構(gòu)？這些問(wèn)題都是困擾了天文學(xué)家很久的。

04

“對(duì)稱星系”

如果你能放大圖4的區(qū)域，并且仔細(xì)觀察，有可能會(huì)注意到，這個(gè)星系好像是左右對(duì)稱的。

圖4

我在放大的圖像上，用虛線標(biāo)注出了對(duì)稱軸。你看，在這條對(duì)稱軸的兩側(cè)，箭頭指出的亮點(diǎn)是不是完全對(duì)稱的？這樣的對(duì)稱圖形并不是這個(gè)星系的本來(lái)面目。實(shí)際上，因?yàn)樗鼊偤锰幱凇耙ν哥R”質(zhì)量分布的一個(gè)特定位置上才形成了特殊的“折疊光弧”。

05

“朱砂點(diǎn)”

圖5的兩個(gè)區(qū)域，各有一點(diǎn)鮮紅色的小圓點(diǎn)，就像是一點(diǎn)朱砂一樣漂亮。需要再提醒你一下的是，這張照片拍攝的波段，并不在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，圖中所有的顏色，都是制作人員后期著色的結(jié)果。

圖5

不過(guò)，所填充的顏色依然保有物理學(xué)上的意義。這兩個(gè)“朱砂點(diǎn)”是很多天文學(xué)家朝思暮想的目標(biāo)：鮮艷的大紅色意味著它們的輻射全部集中在波長(zhǎng)最長(zhǎng)的紅外波段，恰是宇宙極早期星系的典型觀測(cè)特征。

它們誕生于只有1億-2億年的“嬰兒宇宙”中，離地球極其遙遠(yuǎn)，所以它們的光芒也是無(wú)比的黯淡——只有借助星系團(tuán)這樣的宇宙放大鏡才能看到。

06

“橢圓星系”

現(xiàn)在，讓我們?cè)僖黄鹂匆幌逻@張照片的中心。圖6是整張圖片里最顯眼的星系：端坐在星系團(tuán)中央的橢圓星系。它們是宇宙中質(zhì)量最大的罕見(jiàn)星系，可達(dá)到一萬(wàn)億倍太陽(yáng)質(zhì)量。

圖6

在它們奶油般的溫柔色彩和平靜的外表下，是100多億年以來(lái)各星系之間無(wú)休止的弱肉強(qiáng)食。頻繁、反復(fù)的星系并合才最終堆砌出了這個(gè)龐然大物。

再細(xì)心一點(diǎn)，也許你還會(huì)注意到星系絲滑光芒下那些若隱若現(xiàn)的黯淡星點(diǎn)。它們其實(shí)是一個(gè)個(gè)球狀星團(tuán)，是遠(yuǎn)古獨(dú)特環(huán)境下才能形成的恒星系統(tǒng)，是曾經(jīng)狂暴恒星形成活動(dòng)的見(jiàn)證。今天，星系中的恒星形成活動(dòng)已經(jīng)完全熄滅了，只剩這遍地的球狀星團(tuán)還在訴說(shuō)著當(dāng)年的輝煌。

其實(shí)，在JWST這張看起來(lái)非?！皝y”的“小暑上天圖”里，天文學(xué)家至少可以找到1萬(wàn)個(gè)圖6中看到的星團(tuán)。宇宙誕生過(guò)程中，盛大的而熱烈的情境可見(jiàn)一斑。

07

“漂浮的水母”

圖7看起來(lái)就像一只水母在黑暗的宇宙空間漂浮。右下角的星系像是水母的頭部，而左上角彌散的絮狀結(jié)構(gòu)很像是水母的觸手。

圖7

乍一看優(yōu)雅、美好的“水母”，實(shí)際上反映了星系團(tuán)極其殘忍的一面：高溫等離子體把星系中的氣體逐漸剝離掉，飄散的氣體最終形成了一條一條的結(jié)構(gòu)，看起來(lái)如同水母的觸手。這個(gè)過(guò)程叫做“沖壓剝離”。

它的效果，你自己也可以演示：想象一下，當(dāng)你張開(kāi)一疊報(bào)紙?jiān)跓o(wú)風(fēng)的體育館里奔跑，迎面而來(lái)的氣流把這一疊報(bào)紙一張張撕開(kāi)，又拋掉。這是因?yàn)榕懿降乃俣茸尶諝夥肿訉?duì)報(bào)紙產(chǎn)生了足以克服重量與摩擦力的壓力。在星系團(tuán)中，類似的過(guò)程不斷上演著。

08

“漩渦星系”

在這張“小暑上天圖”里，有太多奇妙的東西了。這么一來(lái)，那些“正?！钡男窍担炊@不出什么特點(diǎn)來(lái)，很容易被人忽略了。

但當(dāng)你注視著它們，一定會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)星系都有其獨(dú)特的性格，一如《清明上河圖》中眾多形象鮮明的人物。這其中，數(shù)量最多的便是圖8中不同類型的旋渦星系。

圖8

它們的旋臂或舒展大方、或張揚(yáng)肆意、或因緊張而扭曲，刻畫出了星系生態(tài)系統(tǒng)的旺盛生機(jī)。作為一名天文學(xué)家，看到旋渦星系，我總會(huì)感到非常親切，因?yàn)?strong>我們所處的宇宙島便是這樣一個(gè)看起來(lái)普普通通的旋渦星系。

09

“模糊的‘影子’”

比圖8的旋渦星系更不起眼的，是圖9中那些模糊的“影子”。

圖9

這些影子被稱為“低面亮度星系”。它們之所以會(huì)如此黯淡，是因?yàn)閮?nèi)部的恒星分布非常稀疏。想要觀察到它們非常困難——即便是利用JWST這樣的，有史以來(lái)最強(qiáng)大的空間望遠(yuǎn)鏡，觀察它們依然非常困難。

不過(guò)，近年來(lái)天文學(xué)家意識(shí)到，這些家伙是星系團(tuán)中必不可少的。它們獨(dú)特樣貌很可能源自孕育它們的暗物質(zhì)暈的特殊性質(zhì)或某些特殊的物理過(guò)程?，F(xiàn)在，天文學(xué)家們對(duì)這些影子所知甚少，但其中一定蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)潛力。

實(shí)際上，圖像的低面亮度區(qū)域中還有許多我們不了解的天體。比如圖9最右側(cè)那個(gè)“張牙舞爪”的結(jié)構(gòu)讓很多有經(jīng)驗(yàn)的天文學(xué)家都犯了難。

這是一個(gè)被引力透鏡扭曲的極其延展的星系嗎？還是一個(gè)正在瓦解中的星系的殘??？目前沒(méi)人知道為什么，而且隨著觀測(cè)的深入，類似的謎題還會(huì)越來(lái)越多。

10

“星系團(tuán)際光”

圖10在“小暑上天圖”的原圖中，是最大的一個(gè)低面亮度結(jié)構(gòu)。可以說(shuō)是其中最不顯眼的區(qū)域。不過(guò)，當(dāng)我們搬出美圖工具，使勁調(diào)高對(duì)比度之后，就可以在星系的兩端看到兩團(tuán)模糊的光亮了。

圖10

不用懷疑你的眼睛，這是真實(shí)的“星系團(tuán)際光”，是星系團(tuán)建造歷史的見(jiàn)證。每當(dāng)有星系落入星系團(tuán)，在被瓦解、吞噬的過(guò)程中，會(huì)有部分恒星被剝離出來(lái)，游蕩在星系間。歷經(jīng)了無(wú)數(shù)并合后，這些“孤魂野鬼”也能積累起足夠的質(zhì)量。模糊的“團(tuán)際光”象征了明暗世界的邊界。它們既是研究星系團(tuán)組裝歷史的重要線索，也是天文學(xué)家們描繪暗物質(zhì)分布的路標(biāo)。在這張“小暑上天圖”中，天文學(xué)家可以識(shí)別出上萬(wàn)個(gè)天體。而上面的10處細(xì)節(jié)，僅僅是這張圖片所訴說(shuō)的宏大宇宙史詩(shī)中的只言片語(yǔ)。但相信你已經(jīng)可以感受到這架人類歷史上最強(qiáng)大空間望遠(yuǎn)鏡的巨大潛力。

作為一位面向公眾的“藝術(shù)家”，JWST的第一幅作品“小暑上天圖”便已經(jīng)如此驚艷，未來(lái)更加成熟的創(chuàng)作又會(huì)有多驚艷呢？我們一起拭目以待吧。