Science 2022年十大科學(xué)突破解讀：詹姆斯韋伯太空望遠鏡

在20世紀90年代早期，當在光學(xué)波段的哈勃望遠鏡已經(jīng)成功運行并取得了許多重要發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們開始構(gòu)思下一代更強大的空間望遠鏡。由于在天文研究的兩個最前沿領(lǐng)域，宇宙第一代星系和恒星的形成，以及系外行星，其光譜特征主要聚焦于紅外波段，一臺威力強大的空間紅外望遠鏡成為很自然的選擇。經(jīng)過近三十年的艱苦努力，由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、歐洲航天局（European Space Agency，ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency，CSA）共同建造的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST，以下簡稱“韋伯望遠鏡”）終于在2021年12月25日成功發(fā)射。這是迄今為止發(fā)射入太空的最復(fù)雜、最昂貴的科學(xué)任務(wù)，總耗資約達100億美元。韋伯望遠鏡的成功發(fā)射不僅僅是科學(xué)上的重大突破，也是一個工程上的“奇跡”。為了提高空間探測的靈敏度和分辨率，韋伯望遠鏡的鏡面直徑為6.5米，幾乎是哈勃鏡面直徑的三倍。工程師們必須讓它在發(fā)射時能夠折疊起來。由于在紅外觀測的低溫需要，韋伯望遠鏡必須到距離地球150萬公里的拉格朗日點L2展開觀測；在長達一個月的旅途中，韋伯望遠鏡逐步展開了其太陽能電池板及18個鏡面成分。這個過程中有300多個關(guān)鍵步驟，任何一個步驟的問題都可能會造成任務(wù)失敗。最后經(jīng)過數(shù)月的緊張檢測和調(diào)試，在2022年6月韋伯望遠鏡終于正式展開科學(xué)觀測。與哈勃望遠鏡一樣，韋伯望遠鏡是一臺通用型空間望遠鏡，包括四個科學(xué)終端設(shè)備，覆蓋了從近紅外到中紅外（0.6~28 μm）的波長范圍，并提供極為豐富的光譜和成像觀測模式，有很多功能都是人類有史以來首次在空間望遠鏡中實現(xiàn)的，其科學(xué)效能具有劃時代的水準。甫經(jīng)正式展開科學(xué)觀測，韋伯望遠鏡就取得系列突破性成果。2022年7月12日，NASA公布了其第一批多波段觀測合成圖像。該批圖像主要包括5套照片，涉及不同尺度的5類天體或天體系統(tǒng)，包括SMACS0723星系團透鏡河外星系深場觀測（圖1）。在這之后，基于保證時間觀測項目和早期釋放科學(xué)項目所采集的數(shù)據(jù)，天文學(xué)家不斷產(chǎn)出豐碩的科學(xué)成果。圖1 韋伯望遠鏡首個公開發(fā)布的河外星系深場圖像——位于紅移0.39處的SMACS 0723星系團中心場（左圖為之前哈勃空間望遠鏡觀測的多波段合成圖像；右圖為韋伯望遠鏡在同一天區(qū)進行的多波段觀測合成圖像。SMACS 0723星系團的引力透鏡效應(yīng)放大并扭曲了一些背景高紅移星系，對某些背景星系產(chǎn)生了弧狀結(jié)構(gòu)和多重像。兩幅圖相比可以輕而易見韋伯望遠鏡在河外星系深場觀測方面的威力。）

在星系科學(xué)領(lǐng)域，韋伯望遠鏡很快就突破了以前觀測遙遠星系的極限，通過光譜數(shù)據(jù)證認了紅移最高的活動星系核（z=8.68），并證認了4個紅移高于10的星系，其中最高紅移的星系達到了z=13.2，是目前經(jīng)過光譜認證的最高紅移星系記錄保持者，在該紅移宇宙的年齡僅僅為3 000萬年。另外韋伯望遠鏡還使用光譜證認了紅移最高（z=7.3）的被動演化星系，并首次發(fā)現(xiàn)了宇宙再電離時期星系的塵埃吸收結(jié)構(gòu)（z=6.7）。這些最新的觀測結(jié)果極大地拓寬了星系形成與演化領(lǐng)域的新邊疆，幫助天文學(xué)家精確刻畫宇宙早期星系形成與演化過程中重要的物理機制。 在系外行星方面，韋伯望遠鏡很快就在四個不同的波長下成像巨大行星HIP 65 426 b，也捕獲了穿過系外行星大氣的恒星光譜，并發(fā)現(xiàn)以前從未在系外行星中探測到的二氧化碳等氣體。在過去，對系外行星大氣層的研究僅限于類似木星的熱木星，由于其史無前例的空間靈敏度，韋伯望遠鏡也開始瞄準較小的、類似地球大小的行星。2023年1月，韋伯望遠鏡首次確認了一個系外行星（LHS 475 b），其大小幾乎與地球完全相同。在美國宇航局的凌星系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)該候選體后，韋伯望遠鏡僅通過兩次凌星觀測就輕松證實這個系外行星的存在。 韋伯望遠鏡目前的設(shè)計壽命是十年，但有理由相信它是未來十幾年最具革命性的天文觀測設(shè)備之一，將帶來許多令人激動的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這些突破包括探索宇宙的起源、星系的演化、系外行星的演化及宜居性，展開系外生命的尋找等。 我國在空間天文探索方面起步較晚，但已取得長足的進步。我國的暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星以及“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠鏡先后于2015和2017年發(fā)射，并在暗物質(zhì)探測、中子星及黑洞等致密高能天體觀測方面取得重大突破。特別值得一提的是，我國首個空間光學(xué)望遠鏡——中國空間站巡天望遠鏡（Chinese Survey Space Telescope，CSST），已進入全面研制階段，預(yù)期將于2024年發(fā)射升空。剛剛在北京舉辦的首屆CSST科學(xué)年會吸引了全國五百多名科研人員參加。這臺2米的空間望遠鏡將提供大視場和高像質(zhì)的優(yōu)異性能，將極大地推動我國在空間天文方面的科研實力。另外，正在計劃中的“愛因斯坦探針”及“宇宙熱重子搜尋衛(wèi)星”等空間項目也將極大拓展我們對宇宙的認識。參 考 文 獻（略）