 我想很多人都曾幻想過回到過去。 甭管是回到昨天去買今天剛公布的中獎(jiǎng)彩票號碼，還是趕在2000年前在北京二環(huán)買個(gè)四合院；抑或是阻止曾經(jīng)犯下的過錯(cuò)，避免當(dāng)下的遺憾。 能回到過去，總歸是一件能讓人生變得更好的手段。 愛因斯坦的狹義相對論告訴我們，運(yùn)動速度越快，（相對）時(shí)間越慢；速度達(dá)到光速，時(shí)間停止。那么……當(dāng)速度超過光速呢？時(shí)間不就倒流了嗎？ 理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。這倒不是由于技術(shù)限制我們無法超光速，而是因?yàn)橄鄬φ撨€說過：光速不可逾越。 光速是物質(zhì)運(yùn)動速度的極限，任何追趕光速的過程都會被急劇增加的質(zhì)量所限。你越接近光速，你的質(zhì)量就會變得越大，直到你的引擎再無法將速度提升分毫。 這種看似無理的“黑箱”操作時(shí)刻提醒著人們，穿越重生只能出現(xiàn)在小說或影視作品里，歷史已經(jīng)發(fā)生，當(dāng)下已經(jīng)確定。這不是悲觀的宿命論，而是嚴(yán)格的科學(xué)時(shí)空觀。 但是，過去真的是不可“觸碰”的嗎？ 2022年下半年，位于距地球約150萬公里的日地L2拉格朗日點(diǎn)的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了一顆在宇宙大爆炸后1億年誕生的星體JADES-GS-z13-0，成為了人類迄今為止觀測到的最古老的“宇宙往事”。 為什么說是“往事”呢？因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在看到的JADES-GS-z13-0，并不是它如今的樣子，而是它在約136億年前發(fā)出的光，經(jīng)過136億年的飛行，跨越336億光年的距離（宇宙暴漲導(dǎo)致距離增大），最終被韋伯望遠(yuǎn)鏡捕捉到的。 這就像月球距離地球約39萬公里，月光傳到地球大約需要1.3秒。我們仰望天空時(shí)，看到的其實(shí)是1.3秒前的月亮。 換句話說，我們通過韋伯望遠(yuǎn)鏡，看到了宇宙的過去，它的“嬰兒”時(shí)期。 大家好，我是Hugo，今天，我們就來談?wù)動惺芬詠碜钕冗M(jìn)的太空紅外望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋伯，以及它所承擔(dān)的科學(xué)任務(wù)。 ０１ 2021年12月25日，歐洲航天局（歐空局）的阿麗亞娜5號火箭在法屬圭亞那庫魯點(diǎn)火發(fā)射，將詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡送入了太空。 經(jīng)過一個(gè)月的飛行，2022年1月24日，韋伯望遠(yuǎn)鏡飛抵了最終的工作地點(diǎn)——150萬公里外的拉格朗日點(diǎn)。 2022年7月11日，美國總統(tǒng)拜登在白宮揭曉了韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一張深場照片（Deep-Field，部分天空照），榮膺迄今為止拍攝到的最高分辨率的早期宇宙圖像。
這張照片容納了以SMACS 0723（飛魚座的一個(gè)星系團(tuán)）為中心的一小塊區(qū)域。它位于地球的南部方位，其中可見數(shù)千個(gè)星系，最古老的已有131億年的歷史，是宇宙誕生早期的產(chǎn)物。 韋伯的前輩，名聲在外的哈勃望遠(yuǎn)鏡也曾在1995年拍攝過這個(gè)角度的深場照片，但二者成像效果的對比頗為強(qiáng)烈。
造成這種明顯差距的原因，除了有技術(shù)進(jìn)步帶來的成像素質(zhì)提升外，技術(shù)路線的不同也是重要因素。它們一個(gè)側(cè)重于紅外拍攝（韋伯），一個(gè)側(cè)重于可見光（哈勃）。 韋伯望遠(yuǎn)鏡上的紅外相機(jī)能對600—28500納米波長范圍的光成像，哈勃上的寬視場行星相機(jī)（WFPC2）的可成像波長范圍則是90—2500微米。 很明顯，后者的成像范圍更窄，宇宙中的很多細(xì)節(jié)自然無法拍到。
另一方面，紅外光相比于可見光的波長更長，穿繞能力也更強(qiáng)，這意味著遙遠(yuǎn)星體發(fā)出的紅外光能穿過宇宙塵?；蛐行堑淖璧K，被望遠(yuǎn)鏡捕捉到。
可見光與近紅外成像的效果差別[8] 當(dāng)然，事物皆有兩面性。想要利用韋伯望遠(yuǎn)鏡的高成像能力，就必須把它送到一個(gè)能發(fā)揮自身效用的地方。 首先，這個(gè)地方必須遠(yuǎn)離地球，因?yàn)槿魏斡袦囟鹊奈矬w都會輻射紅外光，這勢必干擾望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)星體的成像。 其次，這個(gè)地方必須好控制。由于太陽這個(gè)巨無霸存在，遠(yuǎn)離地球的望遠(yuǎn)鏡會受到它的引力影響。倘若位置選的不好，必然增加望遠(yuǎn)鏡飛行的控制難度。 那么，哪里合適呢？拉格朗日點(diǎn)。 在天體力學(xué)中，拉格朗日點(diǎn)是小質(zhì)量物體在兩個(gè)大質(zhì)量天體的引力影響下的平衡點(diǎn)。它是衛(wèi)星軌道的絕佳位置，因?yàn)橹恍韬苌俚男拚袨榫涂杀３址€(wěn)定的飛行軌道。 日地之間有5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，其中與地球最近，受太陽輻射干擾最小的是150萬公里外的L2點(diǎn)。 韋伯望遠(yuǎn)鏡工作的地方便選到了那里。與之相比，在500多公里高的近地軌道上運(yùn)行的哈勃望遠(yuǎn)鏡，也算得上是在自家門口工作了！
不過，這還沒完。為了捕捉遙遠(yuǎn)天體的紅外信號，韋伯望遠(yuǎn)鏡的最佳工作溫度是50K (?223℃)以下。 然而，即便是遙距地球的拉格朗日點(diǎn)也無法徹底隔絕太陽、地球甚至月球的能量輻射。當(dāng)這些輻射照到望遠(yuǎn)鏡上后，產(chǎn)生的熱量會將接收到的信號完全淹沒。 為了解決這個(gè)問題，韋伯背上了一面由五張薄帆組成的遮陽罩。 這些帆是表面鍍了100nm鋁層的聚酰亞胺薄膜（Kapton E），其中面向太陽的一層厚度僅為0.05mm，其他四層厚度僅為0.025mm！ 它們極致輕薄，尺寸卻達(dá)到了驚人的21×14 m2，約有一個(gè)網(wǎng)球場大??！
觀測端和直面太陽端 在遮陽罩的保護(hù)下，韋伯的主鏡——由18個(gè)六邊形鈹鍍金反射鏡組成的、直徑達(dá)6.5 m的“大鏡子”，就可以將遙遠(yuǎn)深空中的光聚集起來，反射到直徑為0.74米的次級鏡面上。 然后，次級鏡面再將光線反射回主鏡中央的紅外探測器中。經(jīng)過長時(shí)間的曝光記錄，再加上一些PS上色技術(shù)，就得到了我們所看到的絢麗多彩的深空影像。 ０２ 韋伯拍攝的首張深場照片里可見48個(gè)星系，它們距離地球都在百億光年以上，年齡也都在數(shù)十億至一百多億歲。它們?nèi)缃窨赡芤巡粡?fù)存在，但它們發(fā)出的光依然在宇宙中穿行。
觀看這些古老星系，其實(shí)就是回溯宇宙的歷史，它們讓我們看到宇宙早期的樣子。而韋伯望遠(yuǎn)鏡的首個(gè)科學(xué)任務(wù)，就是搜索宇宙大爆炸后第一批恒星和星系的光。 NASA在這張照片里標(biāo)注了4個(gè)星系，其中最年輕的有113億歲，最古老的則有131億歲，也就是誕生于宇宙大爆炸的6億年后。
與之相比，我們的太陽和地球就年輕得多了，它們分別只有45.7億年和45.5億年的歷史。 對于地球來說，測個(gè)年齡還是比較方便的，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^放射性同位素測年法來估算巖石的年齡。 放射性元素的原子核不穩(wěn)定，會自發(fā)衰變成其他元素。這種衰變的速率是穩(wěn)定的，可以用來確定從衰變開始的時(shí)間，也就是多久以前。 不出意外的話，石頭有多老，地球就有多老。畢竟，《三體》末日里的羅輯也要把文字刻在石頭上。 類似的，測量太陽年齡的辦法也可以從巖石入手。雖然太陽是個(gè)燃燒的大氣球，但太陽系極有可能是作為一個(gè)整體形成的，也就可以認(rèn)為太陽系中最古老的巖石和太陽的形成年代相近。 除此之外，還有一種從太陽本身出發(fā)的測量方式?？茖W(xué)家通過建立標(biāo)準(zhǔn)太陽模型（SSM），導(dǎo)出描述恒星結(jié)構(gòu)的方程式，再結(jié)合測量的太陽亮度、半徑、成份、氦豐度等參數(shù)，來計(jì)算太陽的年齡。 事實(shí)上，無論是太陽系中最古老的巖石（月球隕石）還是太陽模型，都指向了一個(gè)相差無幾的結(jié)果——太陽約有45億歲。 當(dāng)然啦，測量日地年齡的方法雖然有效，但應(yīng)用場景限。對于那些遠(yuǎn)在百億光年外的星系，科學(xué)家又是如何測量出它們的年齡的呢？ 用光。 由于宇宙的持續(xù)膨脹，遙遠(yuǎn)星系會加速遠(yuǎn)離地球，它發(fā)出的光的波長會被拉伸到更長、更紅的狀態(tài)，也就是紅移現(xiàn)象。 這與聲學(xué)里的多普勒效應(yīng)類似，當(dāng)發(fā)聲的物體遠(yuǎn)離（靠近）你時(shí)，你聽到的聲音會更渾厚（尖銳），也就是頻率變得更低（高），波長更長（短）。
因此，通過量化紅移的程度，我們便可以獲得一個(gè)重要信息，那便是星系遠(yuǎn)離地球的速度。 量化需要對比星系發(fā)出的光和我們“身邊”的光，例如太陽光的光譜特征。 光譜指的是不同頻率的光依次排列而出的圖案，其既包括可見光，也包括不可見光（紅、紫外線。） 不同頻率的光可以對應(yīng)到不同元素的不同躍遷能級。例如，當(dāng)氫原子的核外電子在不同能級間發(fā)生躍遷時(shí)，便能發(fā)出多條特征譜線。
氫原子譜線 因此，在我們對比星光和陽光之間的氫譜差異后，便能得知星光的紅移程度。 紅移程度通常用z表示，其定義為：
分子上的第一個(gè)λ表示觀測到的星光特征波長，第二個(gè)λ表示陽光特征波長。
遙遠(yuǎn)星系光譜中的特征線（下）相比于太陽光譜的特征線（上）的紅移程度。 有了z后，再結(jié)合多普勒公式和狹義相對論，便能得出紅移與星系速度v的關(guān)系。
c是光速，γ是與速度有關(guān)的參數(shù) 而根據(jù)哈勃定律公式v=H·D（H是哈勃常數(shù)），星系相互遠(yuǎn)離的速度v與它們之間的距離H成正比，即星系距離地球越遠(yuǎn)，它遠(yuǎn)離地球的速度越快。
哈勃定律的形象演示 因此，得出速度v后，也就得到了星系與地球的距離。進(jìn)而，星系遠(yuǎn)離地球的時(shí)間，或者說它的年齡下限也就有了著落。 根據(jù)參數(shù)化的大爆炸宇宙模型Lambda-CDM Model，星系年齡與它發(fā)出光的紅移程度有個(gè)曲線關(guān)系：
基于這個(gè)關(guān)系，截至目前，科學(xué)家從韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一張深場照片中測得的紅移最大值為8.489，對應(yīng)的年齡約為131億歲，也就是這塊星系。
至此，我們僅僅通過測量光譜，就算出了數(shù)百億光年外的星系年齡。非常的神奇。 當(dāng)然，這還只是開始。 在第一張韋伯圖像發(fā)布后的兩個(gè)月后，NASA宣布發(fā)現(xiàn)了迄今為止最古老的一個(gè)星系，也就是我們開頭所提到的JADES-GS-z13-0（紅移z=13.2）。
但奇怪的是，根據(jù)現(xiàn)有的宇宙學(xué)模型，星系不該那么早形成。 今年4月份，一篇論文表示，這個(gè)古老星系可能根本就不是個(gè)星系，而是一顆內(nèi)部含有暗物質(zhì)的暗星！
暗星是一種理論上假設(shè)的天體，它在宇宙誕生的初期，也就是大爆炸后約1—4億年間出現(xiàn)。 那時(shí)，宇宙早期中的大量氫分子還只是“一片濃云”，當(dāng)它們質(zhì)量積累到一定程度，在引力的作用下開始聚合坍縮時(shí)，云層中的暗物質(zhì)突然阻止了這一過程。 暗物質(zhì)是理論上存在的一種“不可見”的物質(zhì)。它們不發(fā)光，也不反光，只能通過星系間的引力效應(yīng)間接證明它們的存在。 舉個(gè)例子，天文學(xué)界觀測發(fā)現(xiàn)后發(fā)座星系團(tuán)中的星系移動速度太快。根據(jù)理論計(jì)算，具有如此高速度的星系根本無法被引力束縛在一起！
而想要實(shí)現(xiàn)星系成團(tuán)的結(jié)果，星系團(tuán)中存在的質(zhì)量至少是當(dāng)時(shí)觀測到的星體質(zhì)量的400倍！這也就意味著，后發(fā)座星系團(tuán)中存在大量無法被觀測到的物質(zhì)，它產(chǎn)生的引力維持了后發(fā)座星系團(tuán)。 天文學(xué)家稱這類物質(zhì)為“暗物質(zhì)”。 關(guān)于暗物質(zhì)是什么有很多猜測，在暗星中，理論假設(shè)它是一種自相互作用暗物質(zhì)（SIDM）。顧名思義，它們自己會和自己反應(yīng)。而出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，它們是自身的反物質(zhì)！ 這也就意味著，這些暗物質(zhì)在相互碰撞的過程中就會發(fā)生湮滅并釋放出大量能量。 正是由于這些能量（熱量）阻礙了氫分子云的壓縮，也就阻礙了它們發(fā)生核聚變，形成一顆傳統(tǒng)意義上的恒星。 由于氣體無法完成壓縮，暗星通常很大。 多大呢？直徑起步就有10個(gè)天文單位，也就是1.5×10的9次方公里。 一個(gè)天文單位指的是地球和太陽之間的平均距離，大約1.5x10的8次方公里。這也就意味著，一個(gè)最小的暗星，幾乎能塞滿整個(gè)木星的軌道（半徑5.2個(gè)天文單位）！
不過，需要指出的是，雖然暗星很大，但暗物質(zhì)所占的比例很低——主要是氫和氦，暗物質(zhì)只占其中的0.1%。 科學(xué)家根據(jù)熱力學(xué)和流體力學(xué)的理論計(jì)算得出，經(jīng)過持續(xù)發(fā)育（積累氫、氦元素）后，暗星能演變成超級暗星。 那時(shí)，它的質(zhì)量將超過太陽的一百萬倍，亮度超過一百億倍，體積更是大到?jīng)]邊！ 而這也是它在理論上能被韋伯觀測到的原因。
這類由普通物質(zhì)和暗物質(zhì)共同組成的恒星，可能在傳統(tǒng)恒星形成和繁盛之前就已經(jīng)存在于早期宇宙。 同時(shí)，由于它們既大又亮，造成了一顆星就像一個(gè)星系的假象。 雖然目前還不能確定JADES-GS-z13-0就是顆暗星，但一想到有這種可能，我就心生感慨：真實(shí)宇宙的驚奇程度一點(diǎn)也不必漫威電影遜色??！ ０３ 韋伯的第二個(gè)科學(xué)任務(wù)，是研究星系的形成和演化。 星系是個(gè)由恒星、行星、氣體塵埃以及暗物質(zhì)通過引力結(jié)合在一起的系統(tǒng)。對普通人來說，最耳熟能詳?shù)哪^于太陽系所處的銀河系。 銀河系是個(gè)棒旋星系（中間有道恒星組成的棒狀結(jié)構(gòu)），直徑87400光年，內(nèi)部有數(shù)千億顆恒星。
直到二十世紀(jì)初期，人類一直以為銀河系就是整個(gè)宇宙。到了1923年，美國天文學(xué)家哈勃觀測到了一顆遠(yuǎn)在銀河系范圍之外的恒星——哈勃變星V1，人們才意識到銀河系并不是宇宙的全部。 V1位于銀河系的鄰居——仙女座星系內(nèi)，后者同樣是個(gè)棒旋星系，但它比銀河系大得多，直徑有152000光年，包含上萬億顆恒星。 對（銀河）系外星系的發(fā)現(xiàn)改變了人類對自身在宇宙中所處位置的看法。從地心說到日心說，再到放棄認(rèn)為銀河心說，宇宙的浩瀚一次次地沖擊著人們的認(rèn)知。 如今我們知道，銀河系、仙女座星系只是可觀測宇宙中的數(shù)千億個(gè)星系之二，除了它倆這種棒旋星系，還有螺旋星系、橢圓星系，甚至各種不規(guī)則星系。
而且，所有星系都會隨著時(shí)間的推移生長變化。 天文學(xué)家猜測，大約100億年前，宇宙中的星系還處于混亂階段，其中存在大量的超新星，還經(jīng)常發(fā)生星系間的合并事件。 然而，這類活動背后的驅(qū)動力,以及如今急劇減少的原因仍然是個(gè)謎。 利用韋伯望遠(yuǎn)鏡上的光譜分析儀器，可以幫助研究人員了解比氫重的元素是如何隨著星系的形成而形成和積累的。 從而有助于我們間接認(rèn)識星系之間的合并細(xì)節(jié)，以及星系本身的形成過程，包括早期恒星是如何聚集在一起形成第一個(gè)星系的。
兩個(gè)正在碰撞合并中的星系 此外，幾乎每個(gè)大型星系的中心都有個(gè)超大質(zhì)量黑洞，例如銀河系的中心黑洞被稱為人馬座A*，其質(zhì)量是太陽的四百萬倍。
這類黑洞深刻影響著星系的活動，但人們對它們與星系之間的關(guān)系也是茫然不解。 是早期的巨大恒星坍縮成了第一個(gè)黑洞，才吸引來了其他恒星組成了星系？還是恒星先聚集在一起，然后才形成了中心黑洞？ 這個(gè)問題的答案同樣需要韋伯或是其他的、未來的天文儀器去尋找。 在2022年7月12日韋伯發(fā)布的第一批全彩圖像中，有一張名為斯蒂芬五重奏的星系團(tuán)。 里面突出了5個(gè)星系，其中2個(gè)正在以每小時(shí)數(shù)百萬公里的速度相互靠近，以至于將星系間的氣體加熱到了數(shù)百萬攝氏度，由此產(chǎn)生的沖擊波的范圍甚至比整個(gè)銀河系還要大！
而且不出意外的話，很多億年以后，這5個(gè)星系中的4個(gè)中心星系（距離地球2.9億光年）將會全部合并，形成一個(gè)全新的星系。 人們正在目睹一場2.9億年前的星系大事的發(fā)生。 三周后的2022年8月2日，韋伯發(fā)布了一張距離我五億光年的車輪星系（Cartwheel Galaxy），及其“附近”伴星系的高清紅外照片（由近紅外和中紅外照片合成）。
這個(gè)“雙環(huán)”星系由大約4億年前發(fā)生的一次星系間的高速碰撞而形成。碰撞發(fā)生在一個(gè)大型螺旋星系和一個(gè)在圖中不可見的較小星系之間。 雖然碰撞發(fā)生在遙遠(yuǎn)的過去，但碰撞前存在的大型螺旋星系的大部分特征仍然存在，例如其旋臂。這就使該星系好似帶有輻條的車輪，即在內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間看到的鮮紅色條紋，它的名字也就由此而來。 由于這些獨(dú)特的特征，天文學(xué)家將其稱為“環(huán)形星系”，相比于銀河系等螺旋星系，這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)少見。 在韋伯發(fā)布的這張照片中，中心最亮的區(qū)域顯示的是巨大的年輕星團(tuán)。遍布整個(gè)車輪星系以及左上角的伴旋星系的紅色色調(diào)，則是由富含碳?xì)浠衔锏陌l(fā)光熱塵埃造成的。 另一方面，膨脹了約4.4億年的星系外環(huán)所經(jīng)歷的事件以恒星形成和超新星爆發(fā)為主。當(dāng)這個(gè)環(huán)膨脹時(shí)，它會侵入周圍的氣體并引發(fā)恒星形成。 在紅色的塵埃中，有許多藍(lán)色的斑點(diǎn)，它們就代表恒星形成的區(qū)域。 需要指出的是，從天體演化的角度來說，韋伯的這張照片記錄下的只是該星系的一個(gè)非常短暫的階段。由于星系內(nèi)部的相互作用，它會繼續(xù)發(fā)生轉(zhuǎn)變。 韋伯則讓我們有機(jī)會深入了解這個(gè)星系過去發(fā)生了什么，以及它未來將如何演變。 2023年2月，韋伯發(fā)布了一張距離地球5600萬光年的大棒旋星系NGC1365的高清紅外照片。
它的兩個(gè)外旋臂，延申出的范圍約有20萬光年，是銀河系懸臂的兩倍大小。 在這張照片的右下部份，絲絲縷縷的紅色光暈出自星際介質(zhì)中的塵埃和氣體團(tuán)塊，后者組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)吸收了懸臂中正在形成的恒星發(fā)出的光，并將其以紅外線形式發(fā)射出來。 2023年4月，韋伯發(fā)布了一張距離地球11000萬光年的照片，它展示了大質(zhì)量恒星爆炸所產(chǎn)生的超新星遺跡——仙后座A (Cas A)。 這張空間跨度達(dá)10光年的照片，為天文學(xué)家提供了清晰地認(rèn)識恒星死亡后的現(xiàn)象的機(jī)會。
左右兩邊分別是韋伯和哈勃拍攝的Cas A 在遺跡的外部，特別是在頂部和左側(cè)的橙紅色光暈，表示的是溫?zé)岬男请H塵埃發(fā)出的光。它標(biāo)志著爆炸恒星噴射出的物質(zhì)在此處撞擊了周圍的物質(zhì)。 在這片遺跡的內(nèi)部，充斥著斑駁的亮粉色細(xì)絲，上面布滿了團(tuán)塊和結(jié)。它們代表了恒星爆炸后遺留的物質(zhì)，很可能是混合的氧、氬、氖等元素以及其他星際塵埃。 觀測發(fā)現(xiàn)，即使是早期宇宙中非常年輕的星系也充滿了大量的塵埃。如果不援引超新星，就很難解釋這種塵埃的起源，超新星會在太空中噴出大量重元素（塵埃的組成部分）。 然而，現(xiàn)有的超新星觀測無法解釋我們在這些早期星系中看到的塵埃量。通過與韋伯一起研究Cas A，天文學(xué)家希望更好地了解其塵埃含量，這有助于我們了解行星和我們自己的組成部分是在哪里產(chǎn)生的。 因?yàn)橄裥纬蒀as A那樣的超新星過程對生命的形成至關(guān)重要。它們將我們骨骼中的鈣和血液中的鐵等元素傳播到星際空間，播種新一代的恒星和行星。 ０４ 韋伯的第三個(gè)科學(xué)任務(wù)是研究恒星的生命周期。 恒星是人類數(shù)千年來仰望星空的原始動力，沒有它們，我們的頭頂將漆黑一片。 不對，我們根本就不會存在！ 恒星是宇宙中物質(zhì)原料的加工廠，如果往根上去扒的話，我們在宇宙中觀察到的一切元素，如行星、氣體、塵埃星云，乃至人類自身，都起源于恒星。 恒星最主要的活動是聚變反應(yīng)，但最“輝煌”的卻是它們的死亡過程。 當(dāng)恒星的燃料耗盡，進(jìn)入生命晚期時(shí)，聚變反應(yīng)釋放的能量不足以抵抗自身的引力，恒星便會向內(nèi)塌縮。 塌縮同樣伴隨著能量和物質(zhì)的釋放，但不同質(zhì)量的恒星會經(jīng)歷不同的過程，抵達(dá)不同的歸宿。 如果恒星質(zhì)量在10倍太陽質(zhì)量以下，它在經(jīng)歷過內(nèi)核坍縮、外圍物質(zhì)噴發(fā)后，殘余內(nèi)核的質(zhì)量一般會小于1.4倍的太陽質(zhì)量。 此時(shí)，內(nèi)核自身的引力將與電子簡并壓力相抵消，最終達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，也就是恒星的末期——白矮星。 當(dāng)恒星質(zhì)量大于10倍太陽質(zhì)量時(shí)，其在向內(nèi)坍縮時(shí)會瞬間釋放巨大的能量，從而發(fā)生宇宙中最壯觀的事件——超新星爆發(fā)。
超新星能夠以高達(dá)百分之幾光速的速度噴出相當(dāng)于幾個(gè)太陽質(zhì)量的物質(zhì)，它們四散到太空中后，便會重新組合成新的恒星、行星、小行星……。 此外，如果殘余內(nèi)核的質(zhì)量處于1.4—3.2倍太陽質(zhì)量之間，單靠電子簡并壓力將無法抵抗引力，內(nèi)核將繼續(xù)壓縮，導(dǎo)致電子跌入原子核內(nèi)。 之后，強(qiáng)力開始抵抗引力，最終達(dá)到動力平衡后的天體名為中子星。 如果殘余內(nèi)核的質(zhì)量大于3.2倍太陽質(zhì)量，即便是強(qiáng)力都無法抵抗引力！內(nèi)核將坍縮成宇宙中最神秘、可怕的天體——黑洞。 它的引力是如此之大，以至于連光都飛不出去。 如今，我們對恒星不同階段的認(rèn)識已經(jīng)相當(dāng)豐富，但仍有一些元素籠罩在神秘之中。 例如，宇宙中存在一種名為褐矮星的天體，科學(xué)家對它的特性和形成過程依然感到迷惑。因?yàn)樗且活愋≠|(zhì)量的恒星，但又可能擁有厚厚的大氣層，類似于行星。
由于它的質(zhì)量不夠大，其內(nèi)部無法維持穩(wěn)定的聚變反應(yīng)，導(dǎo)致溫度較低，在可見光范圍內(nèi)并不明亮。但這也正好給了韋伯望遠(yuǎn)鏡上的紅外儀器提供了用武之地。 而如果我們把目光放得更古早一些，恒星最初的起點(diǎn)也存在懸而未決的問題——第一代恒星產(chǎn)生自何處？如何形成的呢？它們與我們今天熟悉的恒星又有什么不同？ 這都需要韋伯望遠(yuǎn)鏡透過厚厚的星云塵埃（這正是它所攜帶的紅外儀器所擅長的），從受它們的電離輻射影響過的宇宙原始?xì)怏w，甚至殘留的黑洞中，尋找早期恒星的光影遺跡。一點(diǎn)點(diǎn)去解答。 2022年7月，韋伯發(fā)布的首批照片中，有一張對準(zhǔn)的是2500光年外的一片星云——南環(huán)星云NGC 3132。
右圖中心的紅點(diǎn)便是那顆白矮星 在這張近紅外照片的中心區(qū)域，幾乎只能看到一顆明亮的恒星，但實(shí)際上，在這顆正值青春的恒星的光輝下，還有一顆較暗的垂死恒星。 兩顆恒星繞著對方旋轉(zhuǎn)飛行，但是后者，在老化為白矮星的數(shù)千年的過程中，噴出了大量的氣體和塵埃層，形成了這片壯觀的星云。 科學(xué)家在理論計(jì)算后得知，這顆垂死恒星在老化噴射之前的質(zhì)量幾乎是太陽的三倍。而現(xiàn)在，它的質(zhì)量只有太陽的60%。 沉舟側(cè)畔前方，病樹前頭萬木春。雖然那顆年輕恒星正處于演化的早期階段，但總有一天，它也會老去，噴射出自己的行星狀星云。 這些由氣體和塵埃組成的星云可能會在太空中傳播數(shù)十億年，之后，它或是融入到新的恒星或行星，或是徹底彌散到宇宙空間中。 說起氣體、塵埃的彌散，接下來這張照片則是相當(dāng)令人震撼。 2022年10月，韋伯發(fā)布了一張極其特殊的照片，其揭示了一個(gè)非凡的宇宙景象：一對相互繞行的恒星在外層產(chǎn)生了至少17個(gè)同心塵埃環(huán)。
這對恒星距離地球5000多光年，被稱為Wolf-Rayet 140。 當(dāng)一顆質(zhì)量是太陽的25倍以上的大質(zhì)量恒星進(jìn)入生命晚期時(shí)，有可能會完全失去外部的氫元素層，只剩下還有氦或更重的元素的核心。 此時(shí)，這個(gè)“星核”被稱為沃爾夫-拉葉星（Wolf-Rayet）。 恒星中最常見的元素——?dú)?，本身不能形成塵埃。但由于沃爾夫-拉葉恒星已經(jīng)失去了外部的氫，它會將內(nèi)部深處的更復(fù)雜的元素，例如碳噴射出來。 這些重元素在進(jìn)入太空時(shí)會冷卻，然后在兩顆恒星的星風(fēng)相遇的地方被壓縮，并最終形成塵埃。 根據(jù)Wolf-Rayet 140內(nèi)兩顆恒星的運(yùn)行軌道，它們噴出的氣體大約每八年聚集一次。就像樹干的年輪，塵埃環(huán)標(biāo)志著時(shí)間的流逝。 總有恒星已經(jīng)老去，總有恒星還在年輕。 接下來的這張照片展現(xiàn)的便是一顆年齡只有10萬光年的原恒星L1527。它由韋伯在2022年11月發(fā)布。
鑒于其年齡及其遠(yuǎn)紅外光亮度，它被判定為0級原恒星，即恒星形成的最早階段。 L1527仍然包裹在由星際塵埃和氣體組成的濃云中，它還不能通過氫核聚變自己產(chǎn)生能量，因此還算不上是一顆成熟的恒星。 目前，它的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 20% 到 40%，形狀基本是個(gè)球形，但還不穩(wěn)定，呈小而熱、蓬松的氣體團(tuán)塊形式。 該照片中圍繞L1527的稠密的塵埃和氣體被吸引到它的中心。在此過程中，這些物質(zhì)繞著中心旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)致密的物質(zhì)盤，稱為吸積盤。 同時(shí)，從L1527中噴射出的物質(zhì)已經(jīng)將上下兩端清空，形成了一個(gè)漏斗形的空腔。 隨著它的質(zhì)量增加并進(jìn)一步壓縮，其核心的溫度將會升高，最終達(dá)到核聚變開始的閾值。那時(shí)，它將長大成“人”，開始自己穩(wěn)定發(fā)光發(fā)熱的漫長一生。 今年7月，韋伯又發(fā)布了一對比L1527還要年輕的新生恒星的照片，距離地球約1470光年，名為Herbig-Haro 46/47。
圖中紅色光柱的中部亮點(diǎn)其實(shí)是兩個(gè)緊密結(jié)合的恒星，它們被持續(xù)積累的氣體和塵埃盤包圍著。 光柱的兩端則是由這對恒星噴射產(chǎn)生的。當(dāng)恒星在太短的時(shí)間內(nèi)“吃”進(jìn)太多的物質(zhì)時(shí)，它們便會發(fā)出雙面噴流，從而損失部分質(zhì)量。 Herbig-Haro 46/47只有幾千歲的年紀(jì)，但恒星需要數(shù)百萬年才能完全形成。 因此，它可以讓研究人員深入了解恒星是如何在一段時(shí)間內(nèi)聚集質(zhì)量的，從而有可能讓模擬出我們的太陽是如何一步步形成的。 除此之外，韋伯拍攝的恒星照片還有很多，但要說最宏偉的一張，還得是2022年10月韋伯發(fā)布的距離地球約7000光年的創(chuàng)生之柱的新照片。 其中精細(xì)捕捉到了成千上萬億顆仍在發(fā)育中的“嬰幼兒”恒星，以及它們在數(shù)百萬年的形成過程中，噴射出的大量氣體和星云。 正是后者的積累堆疊，早就了這番創(chuàng)世紀(jì)般的宏偉景象。
哈勃2014 韋伯2022 一個(gè)從生到死、向死而生的更加清晰的宇宙圖像，正在對我們徐徐展開。 ０５ 韋伯的第四個(gè)科學(xué)任務(wù)是研究其他行星以及生命的起源。 銀河系內(nèi)有數(shù)千億顆恒星，但人類觀測到的行星數(shù)量卻遠(yuǎn)少于恒星。 正因如此，太陽系成為了我們最理想、最豐富的行星研究場所。 幾百年來，通過對太陽系內(nèi)行星的觀察，人類建立了一套自以為是的行星邏輯，那就是行星總要繞著一顆穩(wěn)定的恒星轉(zhuǎn)。 不過，當(dāng)人類自以為知悉了某種宇宙規(guī)律后，宇宙總能拋來一個(gè)例外，好像在指著人類的鼻子道：“你丫，圖樣圖森破?！?/p> 1992年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了首批地外行星，兩顆繞著脈沖星PSR B1257+12旋轉(zhuǎn)的行星，距離地球約2300光年。
圍繞脈沖星運(yùn)行的行星的藝術(shù)想象圖 這個(gè)發(fā)現(xiàn)的驚人之處在于，以往的認(rèn)知是行星只會存在于以太陽為代表的穩(wěn)定的主序恒星周圍，但脈沖星是高度磁化、高速旋轉(zhuǎn)的中子星，密度極大，發(fā)射出的電磁輻射極強(qiáng)。 以這顆脈沖星為例，它上面的物質(zhì)每立方厘米就重達(dá)一萬億噸！每秒自轉(zhuǎn)161圈！妥妥的狂暴巨獸??！ 但誰能想到，還就有行星繞著它轉(zhuǎn)啦！ 自那之后，天文學(xué)家意識到，與行星有關(guān)的奧秘可能比我們想象的要復(fù)雜得多、離奇得多。例如，行星是如何在如此特殊的場景下形成的？ 有假說認(rèn)為圍繞PSR的兩顆行星是白矮星合并成脈沖星后的副產(chǎn)品，合并過程中拋出的物質(zhì)在恒星軌道上聚集，最終形成了它們。 可真相果真如此嗎？目前還未可知。 2016年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆距離我們最近的系外行星，繞著比鄰星（紅矮星）轉(zhuǎn)的比鄰星b，但它本質(zhì)上處于半人馬座阿爾法星的三星系統(tǒng)內(nèi)。 沒錯(cuò)，就是三體人的三顆太陽。
比鄰星b上的三顆太陽 但話又說回來，“三體人”會存在嗎？其實(shí)，這是一個(gè)人類追尋了好久的問題——宇宙中是否存在其他生命。 僅從天體層面來看的話，地球沒什么特殊的。 無論形態(tài)、成份，還是地表環(huán)境，行星之間可謂是天差地別，也就意味著每個(gè)行星都獨(dú)一無二。 但生命的存在，卻又將地球與其他行星區(qū)分開來，變得與眾不同。截至到目前，不考慮各種UFO事件的話，我們依然沒有發(fā)現(xiàn)另一個(gè)宜居的星球，或是地外生命。 韋伯要做的，便是利用光譜儀器，研究太陽系內(nèi)其他行星以及系外行星的大氣層，確定其中的元素組成，并分析其是否具備孕育出生命的條件。 在韋伯發(fā)布的首批照片中，有張唯一的光譜圖。它描述的是一顆名為WASP-96b的氣態(tài)巨行星，距離地球1120光年，有0.48倍的木星質(zhì)量。
那么，這張光譜圖說明了什么呢？這顆行星上有水，有云，還有霧霾。 2023年6月，科學(xué)家在獵戶座星云中觀測到了一個(gè)年輕的恒星系統(tǒng)。它中心是個(gè)小型紅矮星，外圍的原行星盤（濃密氣體）距離地球1350光年，被稱為d203-506。 就在這里，韋伯望遠(yuǎn)鏡檢測到了甲基陽離子CH3+。這種離子特別穩(wěn)定，有助于形成更復(fù)雜的碳基分子。那什么是最高級的碳基分子呢？生命啊！
右下角的拉出顯示了這個(gè)恒星系統(tǒng)的近紅外和中紅外組合圖像 基于此類發(fā)現(xiàn)，再通過檢測比較太陽系內(nèi)與年輕行星盤中發(fā)現(xiàn)的水和其他分子，將有助于我們找到地球是如何演化成生命樂園的寶貴線索，甚至揭開生命起源的謎團(tuán)。 總有一天，我們能夠回答那個(gè)“上古”問題——人類在宇宙中到底孤不孤單？ 尾聲與未來 自韋伯望遠(yuǎn)鏡正式運(yùn)行以來，如今剛滿一年。但它在這短短一年里所取得的成果，揭示了以前無從可見的關(guān)于宇宙的新細(xì)節(jié)。 就在不久前（7.12），為了慶祝韋伯的運(yùn)行周年，科學(xué)家發(fā)布了一張全新的照片——蛇夫座心宿增四星云復(fù)合體。它在390光年外，是距離我們最近的正在孕育恒星的區(qū)域。 這張照片的下半部分是一個(gè)發(fā)光空腔，那里有唯一一顆質(zhì)量明顯大于太陽的恒星。其他地方的亮點(diǎn)則是與太陽相當(dāng)或更小的年輕恒星。伴隨它們的形成，巨大的紅色分子氫噴流刺穿了星際塵埃的誕生包層，創(chuàng)造出出宏偉壯觀的宇宙景象。
恒星形成過程中的噴流 除此之外，那些隱藏在暗黑區(qū)域里的，是被包裹在厚厚塵埃里的、還未成型的原恒星。倘若沒有哈勃強(qiáng)大的紅外成像能力，我們將永遠(yuǎn)無法得知它們的存在。 這張照片里正在上演著恒星從孕育到壯大的生命過程，我們的太陽也是這樣走來的，雖然我們無法看到它的過去，卻擁有了以高清視角看其他恒星成長的機(jī)會。 而這，便是前沿的、強(qiáng)大的科學(xué)儀器所能帶給我們的最為強(qiáng)烈的驚喜與感動。
天文學(xué)是最古老的自然科學(xué)之一。古人通過肉眼夜觀天象，來認(rèn)識自己生活的這片天地，并將其用于指導(dǎo)生產(chǎn)生活。 雖然只有如此原始的觀察手段，古人依然繪制出了恒星、行星的位置圖，發(fā)明了星盤等原始的天文設(shè)備，并進(jìn)一步形成了關(guān)于天體行星運(yùn)動的早期想法。 當(dāng)歷史進(jìn)入十七世紀(jì)，人類記載的最早的望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)在了荷蘭。之后，伽利略、開普勒、牛頓等物理學(xué)、天文學(xué)大家又將其性能發(fā)展提升。 在望遠(yuǎn)鏡的助力下，此后一百年，人類證實(shí)了太陽系內(nèi)日心說的正確性，建立了描述天體運(yùn)行的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)規(guī)律——開普勒三定律，編制了包含數(shù)千顆恒星、星云、星團(tuán)的目錄，發(fā)現(xiàn)了一顆新行星（天王星，1781年）…… 時(shí)間匆匆而過。1915年，愛因斯坦發(fā)表的廣義相對論完善了牛頓的萬有引力定律。引力被統(tǒng)一描述為四維時(shí)空的幾何性質(zhì)，而這也將人類對宇宙的理解帶到了一個(gè)新的階段。 科學(xué)家的野心不再局限于只是發(fā)展天體運(yùn)行規(guī)律，理解宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，研究其起源、結(jié)構(gòu)、演化和最終命運(yùn)的基本問題，成為了天文學(xué)研究（物理宇宙學(xué)）的重要一環(huán)。 20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)除銀河系以外，宇宙中還存在大量的其他星系，并觀測到了宇宙正在膨脹的直接證據(jù)。 隨著理論和實(shí)驗(yàn)觀測的同步發(fā)展，宇宙大爆炸模型得以建立。
20世紀(jì)80年代以來，宇宙微波背景、遙遠(yuǎn)超新星以及星系紅移等深空現(xiàn)象被人類捕獲，包括暗物質(zhì)、暗能量的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型得以進(jìn)一步發(fā)展。 在最近一百年來的天文學(xué)、宇宙學(xué)研究中，各種先進(jìn)的設(shè)施儀器讓人類得以看見數(shù)百億光年外，一百多億光年前的宇宙影像。而那些原本微弱、隱秘的天體也逐漸被捕捉，呈現(xiàn)。 如今，人類建造的望遠(yuǎn)鏡覆蓋了光學(xué)、紅外、射電，乃至紫外、X射線、γ射線等幾乎全波段。它們分布于深山、盆地、高原和太空。
而距地球150萬公里的韋伯，則凝聚了數(shù)百年來人類觀測天象的智慧結(jié)晶，是人類認(rèn)識宇宙最前沿的可靠哨兵！ 宇宙中還有太多的謎團(tuán)，那里藏著宇宙的過去，關(guān)乎著宇宙的未來、人類的未來。 雖然和以億年、億光年為時(shí)空尺度的宇宙相比，人類就好像夏蟲朝菌渺小易逝。但我們在探索宇宙的過程中，從未有過妄自菲薄。 我們，就是要理解它。 |
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