原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

詹姆斯·韦伯太空望远镜今年让我们充满敬畏。下面我们来回顾一下如何操作。

艺术家对詹姆斯·韦伯太空望远镜的印象。

两年前的圣诞节早晨，天文学家和太空迷收到了他们等待了30年的礼物：詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的发射，这是世界上最大、最大胆的探索宇宙中最早的恒星和星系的尝试。

今年，太空天文台继续提供令人叹为观止且具有科学价值的宇宙图像。以下是 JWST 的发现回顾，这些发现改变了我们在 2023 年对宇宙的理解。

1. JWST重新审视我们的太阳系

（图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Ricardo Hueso （UPV）、Imke de Pater（加州大学伯克利分校）、Thierry Fouchet（巴黎天文台）、Leigh Fletcher（莱斯特大学）、Michael H. Wong（加州大学伯克利分校）、Joseph DePasquale（STScI））

虽然JWST的目的是看到宇宙中一些最早的恒星和星系，但它对我们自己的太阳系的全新观察简直令人叹为观止。

以这张照片为例，它在10月份揭示了木星上的高速急流，尽管木星的宽度超过3,000英里（4,800公里），并以约320英里/小时（515公里/小时）的速度行驶，但以前从未见过。

早在6月，JWST首次在木星冰冷的卫星欧罗巴的咸液态海洋中发现了二氧化碳。太空天文台还在这张照片中提供了土星的新视角，它捕捉到了这颗气态巨行星精致的环系统及其146颗已知卫星中的三颗。根据美国宇航局的说法，当通过JWST的红外线眼睛看到这颗气态巨行星时，它非常黑暗，因为在这个波长下，“甲烷气体几乎吸收了所有落在大气层上的阳光”。

强大的天文台还捕捉到了天王星的惊人图像，它最亮的卫星和13个已知尘埃环中的11个。

2.附近的系外行星拥有丰富的生命支持分子

艺术家对K2-18 b.的概念（图片来源：ESA/Hubble，M. Kornmesser）

9月，JWST在一颗名为K2-18 b的系外行星的大气中发现了甲烷和二氧化碳，这颗系外行星围绕着一颗距离地球120光年的冷恒星，比我们的星球大，但比我们太阳系中的巨行星小。

哈勃太空望远镜先前的观测表明，K2-18 b可能是一个“Hycean世界”，这是一颗系外行星，拥有厚厚的富含氢的大气层，下面有液态水的海洋。JWST最近的观察结果支持了这一假设，因为新数据显示甲烷和二氧化碳含量丰富，但氨含量很少。

“这些结果是K2-18 b的两次观测的产物，还有更多的观测结果，”该研究的共同作者，剑桥大学天文学家Savvas Constantinou在一份声明中说。“这意味着我们在这里的工作只是韦伯在宜居带系外行星中可以观察到的早期证明。

3. JWST发现了它迄今为止最小的物体

艺术家对深空形状不规则的小行星的印象。 （图片来源：N. Bartmann （ESA/Webb）， ESO/M. Kornmesser and S. Brunier， N. Risinger （skysurvey.org））

今年2月，JWST意外发现了一颗嵌入火星和木星之间主要小行星带的小行星，科学家们对此感到非常兴奋。像该地区的大多数居民一样，这块太空岩石与华盛顿纪念碑一样高，被认为是太阳系形成的遗迹，因此包含有关其演化的诱人历史。

不到一英里长的小行星很难用其他望远镜发现，因此这一发现强调了望远镜在离家更近的地方的实用性。

4. JWST在婴儿宇宙中发现了巨大而神秘的星系

这六个星系可能会迫使天文学家改写宇宙学书籍。 （图片来源：NASA、ESA、CSA、I. LABBE）

今年2月，科学家们宣布在大爆炸后仅5亿至7亿年的时间里，发现了与银河系一样大的星系。从现有的理论和模型告诉我们，JWST发现的星系太大了，其中成熟的红星太老了，研究作者说这一发现“给科学带来了问题”。

“它对早期星系形成的整个画面提出了质疑，”该研究的共同作者、宾夕法尼亚州立大学的天文学家Joel Leja在一份声明中说。

5. 关于宇宙膨胀率的激烈争论

美国宇航局的NIRCam（近红外相机）和哈勃的WFC3（广角相机3）的综合观测显示，螺旋星系NGC 5584距离地球7200万光年。（图片来源：NASA、ESA、CSA 和 A. Riess （STScI））

我们知道宇宙正在以越来越快的速度膨胀，但我们不知道到底有多快。这个问题已经成为一个争论的焦点，即解决哈勃常数的正确值，哈勃常数是估计宇宙膨胀率的重要数字。目前，哈勃常数的模型估计值与基于望远镜观测的值不一致。

今年，JWST观测到了一类被称为造父变星的恒星，这些恒星通常是比太阳亮10万倍的巨大恒星，是测量宇宙距离的最可靠来源（从而梳理出宇宙的膨胀率）。但是，JWST的数据并没有解决争论，反而加深了关于哈勃常数的持续争论。

“我不在乎哈勃常数的价值是多少，”约翰霍普金斯大学天文学家、诺贝尔奖获得者亚当·里斯（Adam Riess）说。“我想知道为什么我们最好的工具——我们的黄金标准工具——彼此不一致。

6. 聚焦第一个超大质量黑洞

詹姆斯·韦伯太空望远镜看到的类星体HSC J2236+0032。 （图片来源：Ding， Onoue， Silverman， et al.）

今年，JWST帮助天文学家看到了两个早期星系的星光，他们认为第一个超大质量黑洞出现了。JWST观测了宇宙年轻于10亿年时的星系，展示了随着时间的推移，黑洞如何获得深不可测的质量 - 通常是太阳的数百万或数十亿倍。

7. 原始星系中的复杂有机分子

使用詹姆斯·韦伯太空望远镜的天文学家发现了这里显示的遥远星系中类似于烟雾或烟雾的复杂有机分子的证据。在这张伪彩色图像中，前景星系显示为蓝色，而背景星系显示为红色。有机分子以橙色突出显示。 （图片来源：J. Spilker / S. Doyle，NASA、ESA、CSA）

今年6月，天文学家透露，JWST已经探测到有趣的碳基分子，类似于120多亿年前在地球上的石油和煤矿床中发现的碳基分子，当时宇宙只有当前年龄的10%。在太空中，这些分子与微小的尘埃颗粒相连。由于我们望远镜的局限性，探测它们一直很有挑战性。然而，“韦伯确实让寻找有机分子看起来太容易了，”德克萨斯农工大学的天文学家贾斯汀·斯皮尔克（Justin Spilker）告诉 Space.com。

8. 是的，Maisie 的星系是有史以来最早发现的星系之一

Maisie的星系，今年早些时候由JWST捕获。 （图片来源：NASA/STScI/CEERS/TACC/德克萨斯大学奥斯汀分校/S. Finkelstein/M. Bagley）

这个模糊的橙色斑点由JWST在2022年夏天拍摄，被称为Maisie星系，2023年8月，天文学家宣布它是有史以来发现的最早的星系之一。这个星系似乎在宇宙只有3.9亿年的时候就已经存在了，使其成为有史以来最早的四个星系之一。

“这是一个未被发现的前沿，我们真的不知道星系是如何形成的，或者它们是什么样子的，直到我们去用JWST寻找它们，”研究作者、德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家史蒂文·芬克尔斯坦（Steven Finkelstein）告诉 Space.com。

9. 有史以来最遥远的超大质量黑洞

超过 100,00 个星系的全景图，称为宇宙演化早期发布科学 （CEERS） 调查。（图片来源：图片来源：NASA、ESA、CSA、Steve Finkelstein（德克萨斯大学奥斯汀分校）、Micaela Bagley（德克萨斯大学奥斯汀分校）、Rebecca Larson（德克萨斯大学奥斯汀分校）。图像处理：Alyssa Pagan （STScI））

今年7月，天文学家宣布JWST探测到了有史以来最遥远的活跃超大质量黑洞，其宿主星系在大爆炸后仅5.7亿年形成。然而，这个古老的黑洞质量低得令人费解——只有太阳的900万倍。相比之下，这些宇宙野兽中的大多数重量超过10亿太阳质量。“仍然很难解释它是如何在宇宙开始后这么快形成的，”研究人员说。

10. JWST重新发现一个古老的幽灵星系

詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的AzTECC71星系。 （图片来源：J. McKinney/M. Franco/C. Casey/德克萨斯大学奥斯汀分校）

JWST发现一个嵌入尘埃云深处的模糊星系最近引起了天文学家的兴趣，部分原因是它出现在大爆炸后9亿年，当时第一批恒星出现。但天文学家也对这个星系等待揭示的科学课程感兴趣，“可能告诉我们有一大群星系一直在躲避我们，”德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家杰德麦金尼在一份声明中说。

11. JWST发现3颗可能的传说中的“暗星”

詹姆斯·韦伯太空望远镜发现了三个可能由暗物质粒子相互湮灭形成的物体。（图片来源：NASA/ESA）

今年7月，天文学家报告说，JWST发现了三个明亮的物体，它们可能是“黑暗的恒星”，这是对Grateful Dead歌曲“Dark Star”的引用。这些“恒星”最初在 2022 年被 JWST 标记为星系。

“当我们查看詹姆斯·韦伯的数据时，这些物体有两种相互竞争的可能性，”德克萨斯大学奥斯汀分校物理学教授凯瑟琳·弗里斯（Katherine Freese）在一份声明中说。“一是它们是包含数百万颗普通的III族恒星的星系。另一个是它们是暗星。信不信由你，一颗暗星的光足以与整个星系竞争。

天文学家认为这些类型的恒星是由暗物质驱动的，暗物质是一种难以捉摸的物质，占我们宇宙中物质的85%，但望远镜看不见。研究人员说，如果暗星真的存在，它们的存在将有助于解决令人费解的观察结果，即一个非常年轻的宇宙如何成长为JWST观测到的如此多的大型星系。

12. 最早的星系看起来与我们的银河系惊人地相似

JWST拍摄的早期宇宙中新发现的类似银河系的星系图像。每一行显示一个不同的星系，在JWST获取成像数据的不同红外波长中观察到。 （图片来源：L. Ferreira， C. Conselice）

星系演化理论预测，我们宇宙中最早的星系太年轻，无法炫耀任何明显的特征，如旋臂、条形或环状；天文学家认为，这些更复杂的结构在大爆炸后约60亿年开始出现。但今年，JWST发现，具有如此精致形状的星系早在大爆炸后37亿年就已经存在。

“根据我们的结果，天文学家必须重新思考我们对第一个星系形成的理解，以及过去100亿年星系演化是如何发生的，”该研究的共同作者、英国曼彻斯特大学天文学教授克里斯托弗·康塞利斯（Christopher Conselice）在一份声明中说。

关注科学剃刀，每日推送关于核聚变、理论物理、太空探索的最新动态

敬请关注新号： 硅基LIFE，每日推送芯片和人工智能的最新消息

原标题：《詹姆斯·韦伯太空望远镜在2023年的12项发现改变了我们对宇宙的理解》

阅读原文