翻译结果解析韦伯太空望远镜第一批影像背后的科学意义
万众瞩目的詹姆士韦伯太空望远镜，在经过半年的校准与测试后，终于公开了它拍摄到的第一批成果。这些五彩斑斓、美丽绝伦的照片究竟是什么样的天体，照片的背后又有哪些深藏的意义？就让我们一起深入解密，韦伯的第一批照片吧！
●韦伯望远镜是什么？
(资料图)
詹姆士·韦伯太空望远镜是美国、欧洲、加拿大太空总署合作开发的新一代旗舰级红外线太空望远镜，也是无数天文学家梦寐以求、能帮助人类破解许多未解天文迷团的利器。
韦伯的研发其实早从 1996 年就已经开始，但是由于开发时遇到诸多困难，导致严重的预算超支与进度延宕，这台耗资上百亿美金的超级望远镜，直到去年年底才终于从法属圭亚那发射中心，用一枚Ariane 5 ECA rocket（亚利安 5 号运载火箭）发射升空，前往距离地球 150 万公里的日地第二拉格朗日点。
●拉格朗日点是什么？
日地拉格朗日点一共有五个。当物体在这些点上，其受到来自太阳与地球的重力恰到好处，因此太空船只需要少量的燃料，就可以长期与地球和太阳保持稳定的相对位置，可谓是地球轨道附近的风水宝地。而韦伯绕行的，是位于地球后方的第二拉格朗日点，简称 L2。
之所以选择这里，是因为只有 L2 的位置刚好会让地球、太阳、月亮都在同一侧，而这三个星体正是天文望远镜的主要红外线光害来源。位于 L2 的韦伯，就可以用它的遮阳帆一次把三颗星体全部挡住，认真凝望远方而不受干扰，因此 L2 可以说是观测宇宙的绝佳地点。升空的几个月之间，韦伯已经完成一系列的仪器校准工作，一步步把望远镜调整到最佳状态。
相比知名前辈「哈伯太空望远镜」，韦伯的优势不只是拥有比哈伯大六倍的镜面，更重要的是它是以红外线为主力观测波段。宇宙膨胀造成严重红移，但哈伯望远镜的守备范围主要是可见光，波长范围是 90 – 2500 纳米，可说是鞭长莫及啊。这时换上以波长 600 – 28500纳米的红外线为守备范围的韦伯，就可以让我们看到更遥远、更古老的宇宙。此外，同一个天体在可见光和红外线看起来，往往长得相当不一样。这个强大的红外线观测能力，正是韦伯最引以为傲的武器。
作为深具仪式感的第一批科学影像，韦伯这次公布的影像分别对应四个主要科学主题：早期宇宙、星系演化、恒星的生命循环与系外行星。
▲星系团 SMACS 0723。图像／Webb Space Telescope
●早期宇宙—— 星系团SMACS 0723 与引力透镜效应
画面中心黄白色的天体，是由成百上千星系共同组成的星系团 SMACS 0723。在韦伯之前，哈伯太空望远镜就曾经花费数个礼拜的时间拍摄这个星系团。然而拥有更大镜面、更精良仪器的韦伯，仅用了 12.5 个小时就拍出了解析度更高、画面品质更好的照片，让我们看到许多以前难以辨识的黯淡星系。可见哈伯与韦伯在观测能力上的差距。
对天文学家来说，图中最令人兴奋的其实不是前景壮阔的星系团，而是后方这些经过引力透镜扭曲和放大的小小星系们。星系团庞大的质量扭曲了周围的时空，让整个星系团好像一块巨大的放大镜一样，可以偏折和聚焦通过的星光，称为「引力透镜效应」。当星系团后方更遥远、更古老的星系发出的光线通过星系团时，就会被星系团的重力透镜效应偏折和聚焦，形成图中无数弧形的扭曲影像。
▲红圈为照片上受重力透镜影响的区域之一，可以看到星系被拉长。
这些仍在襁褓中的小小星系，往往正在快速孕育新的恒星，或是互相合并，因此有着混沌不规则的形状。离我们越远的星体发出的光，需要越长的时间才能到达我们的眼中。因此研究这些遥远且古老的星系，能帮助天文学家理解宇宙早期的模样。
▲史蒂芬五重奏（Stephan’s Quintet）。图像／WebbSpaceTelescope
●星系演化——史蒂芬五重奏（Stephan’s Quintet）
上一张照片让我们认识星系的起源，这张「史蒂芬五重奏（Stephan’s Quintet）」则可以让天文学家更仔细地研究星系内的复杂结构，以及星系与星系之间的交互作用。
正如其名，「史蒂芬五重奏（Stephan’s Quintet）」是由五个视觉上相当靠近的星系所组成。但其实最左边的这个星系（NGC7320）与另外四者并无关联，只是从地球上看刚好位在天空中差不多的位置而已。图片中偏向黄白色，感觉如丝绸般顺滑的部分是在近红外线波段拍摄，主要显示的是星系中恒星的分布；而醒目的橘红色，则是来自中红外波段的资料，展示的是星系中的高温尘埃，以及星系中的气体高速对撞时产生的震波（Shock wave）。
除了影像，韦伯还使用光谱仪仔细检视了影像中右上方的星系（NGC 7319）中心，因为那里有一颗比太阳重 2400 万倍的超大质量黑洞，正在吸食周遭的气体，并在过程中释放巨大的能量。藉由观察光谱的细节，韦伯可以分辨出像是氩离子、氖离子或是氢分子等等化学组成，甚至知道气体的温度、运动速度这些从一般照片难以辨识的资讯。史蒂芬五重奏就像一个天然的实验场，让天文学家研究星系演化的详细过程。
▲WASP-96 b 的大气光谱。图／WebbSpaceTelescope
●系外行星——WASP-96 b 的大气光谱
这一张照片可能是整批影像中，视觉上最不起眼的一张，它是系外行星 WASP-96 b 的大气光谱。
最近 20 多年来，人类对太阳系以外行星的认识越来越多。截至今日，人类已经发现超过 5000 颗系外行星。然而，以现有的观测技术，天文学家通常只能用一些间接的方法，测量它们的质量、半径、轨道周期等粗略的特性。想知道这个行星是否适合生命生存，就不能少了行星大气层的化学组成和温度资讯。
那要怎么取得行星的大气资讯呢？当行星通过恒星跟地球中间时，恒星的一部分星光将会通过行星的大气层，并被行星的大气吸收。吸收的多寡和波段，取决于行星大气层的温度和化学组成等特性。
此时，天文学家就可以藉由分析光谱中的各种特征，反推行星大气层的性质。图片中的白点，即是韦伯实际观测 WASP-96 b 时取得的光谱资讯。而蓝色的线，则是天文学家认为最贴合观测数据的理论模型。根据这个观测结果，天文学家计算出 WASP-96 b 的大气温度约为 725°C，大气中明显有着水气，并推测可能还有云和霾存在。未来进一步的分析和观测，将为世人揭开更多系外行星的神秘面纱。
●恒星的生命循环——南环状星云、船底座大星云
最后两张照片都与恒星的生命循环有关。正如人会有生老病死，恒星也是一样。恒星一般诞生在巨大分子云中，气体在重力吸引下逐渐塌缩、升温并点燃核融合，成为一颗恒星。
当小质量的恒星步入晚年，其结构容易变得不稳定，最终将自己的外层气体抛射出去，形成美丽的行星状星云，也将气体吐回到星际空间中，成为下一代恒星的养分。气体都抛射完之后留下的核心，就是白矮星。各位现在看到的，是昵称「南环状星云」的行星状星云，左右两张图分别于近红外线与中红外线拍摄。
▲南环状星云。图／Webb Space Telescope
我们可以看到，左图中的影像比右图要更清晰一些，这是因为在相同的望远镜口径下，波长越短所能达到的理论解析度就越高。
有趣的是，在左图中看起来位于星云中心的明亮恒星，其实并不是行星状星云的核心。真正的核心其实是在其左下方，一颗被尘埃包裹着的黯淡白矮星。在近红外线波段的影像中，这颗白矮星几乎淹没在隔壁恒星的炙烈星芒之中。
但在中红外波段，由于恒星的亮度相对降低，包裹着白矮星的尘埃发出的光就变得清晰可见。再次展示即使是同一个天体，使用不同的波段进行观测，往往可以看到不同的东西。
▲船底座大星云（Carina）。图／WebbSpaceTelescope
最后这片壮丽的宇宙山崖，则是位于「船底座大星云 Carina」西北角的 NGC3324 恒星形成区。在这里，源自星云中无数初生恒星所发出的炙烈辐射、恒星风与喷流，吹散、游离了星云中原有的浓密气体与尘埃。交织出这片壮阔而复杂的结构。
这张照片一共结合了这六个不同的滤镜的影像拍摄而成。每个滤镜涵盖的波段各不相同，代表的物理意义也不一样。比如（F090W、F200W、F444W）这三个宽带滤镜，分别在影像中按照波长顺序，以蓝色、绿色和红色这三原色呈现，为照片打下骨干。而在此之上，照片的制作团队又叠加上青色代表氢原子的（F187N）滤镜影像，以黄色代表氢分子的（F470N）滤镜影像，以及用橘色代表甲烷和多环芳香烃的 （F335M） 滤镜影像，为照片再添更多的细节。想要将这么多个波段的影像全部结合起来，仔细调整让细节更加突出，最终呈现出一张如此绚丽又震撼的照片，是非常不容易的。这展示了韦伯太空望远镜不仅在科学上相当重要，在艺术上也价值非凡。
最后别忘了，以上只挑选介绍了第一批资料中最具代表性的几张，更多关于五个目标的照片和光谱，可以在韦伯的官网上找到。而这批照片，又只是韦伯未来二十年服役生涯中，前两个月的小试牛刀而已。韦伯的时代，才刚刚要开始！
本文作者：林彦兴｜EASY 天文地科小站主编、台湾清大天文所硕士生，努力在阴沟中仰望繁星
关键词： 解析韦伯望远镜首批图像背后的科学价值 韦伯望远镜
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