Science 2022年十大科学突破解读：詹姆斯韦伯太空望远镜

在20世纪90年代早期，当在光学波段的哈勃望远镜已经成功运行并取得了许多重要发现后，科学家们开始构思下一代更强大的空间望远镜。由于在天文研究的两个最前沿领域，宇宙第一代星系和恒星的形成，以及系外行星，其光谱特征主要聚焦于红外波段，一台威力强大的空间红外望远镜成为很自然的选择。经过近三十年的艰苦努力，由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、欧洲航天局（European Space Agency，ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency，CSA）共同建造的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST，以下简称“韦伯望远镜”）终于在2021年12月25日成功发射。这是迄今为止发射入太空的最复杂、最昂贵的科学任务，总耗资约达100亿美元。韦伯望远镜的成功发射不仅仅是科学上的重大突破，也是一个工程上的“奇迹”。为了提高空间探测的灵敏度和分辨率，韦伯望远镜的镜面直径为6.5米，几乎是哈勃镜面直径的三倍。工程师们必须让它在发射时能够折叠起来。由于在红外观测的低温需要，韦伯望远镜必须到距离地球150万公里的拉格朗日点L2展开观测；在长达一个月的旅途中，韦伯望远镜逐步展开了其太阳能电池板及18个镜面成分。这个过程中有300多个关键步骤，任何一个步骤的问题都可能会造成任务失败。最后经过数月的紧张检测和调试，在2022年6月韦伯望远镜终于正式展开科学观测。与哈勃望远镜一样，韦伯望远镜是一台通用型空间望远镜，包括四个科学终端设备，覆盖了从近红外到中红外（0.6~28 μm）的波长范围，并提供极为丰富的光谱和成像观测模式，有很多功能都是人类有史以来首次在空间望远镜中实现的，其科学效能具有划时代的水准。甫经正式展开科学观测，韦伯望远镜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观测合成图像。该批图像主要包括5套照片，涉及不同尺度的5类天体或天体系统，包括SMACS0723星系团透镜河外星系深场观测（图1）。在这之后，基于保证时间观测项目和早期释放科学项目所采集的数据，天文学家不断产出丰硕的科学成果。图1 韦伯望远镜首个公开发布的河外星系深场图像——位于红移0.39处的SMACS 0723星系团中心场（左图为之前哈勃空间望远镜观测的多波段合成图像；右图为韦伯望远镜在同一天区进行的多波段观测合成图像。SMACS 0723星系团的引力透镜效应放大并扭曲了一些背景高红移星系，对某些背景星系产生了弧状结构和多重像。两幅图相比可以轻而易见韦伯望远镜在河外星系深场观测方面的威力。）

在星系科学领域，韦伯望远镜很快就突破了以前观测遥远星系的极限，通过光谱数据证认了红移最高的活动星系核（z=8.68），并证认了4个红移高于10的星系，其中最高红移的星系达到了z=13.2，是目前经过光谱认证的最高红移星系记录保持者，在该红移宇宙的年龄仅仅为3 000万年。另外韦伯望远镜还使用光谱证认了红移最高（z=7.3）的被动演化星系，并首次发现了宇宙再电离时期星系的尘埃吸收结构（z=6.7）。这些最新的观测结果极大地拓宽了星系形成与演化领域的新边疆，帮助天文学家精确刻画宇宙早期星系形成与演化过程中重要的物理机制。 在系外行星方面，韦伯望远镜很快就在四个不同的波长下成像巨大行星HIP 65 426 b，也捕获了穿过系外行星大气的恒星光谱，并发现以前从未在系外行星中探测到的二氧化碳等气体。在过去，对系外行星大气层的研究仅限于类似木星的热木星，由于其史无前例的空间灵敏度，韦伯望远镜也开始瞄准较小的、类似地球大小的行星。2023年1月，韦伯望远镜首次确认了一个系外行星（LHS 475 b），其大小几乎与地球完全相同。在美国宇航局的凌星系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）的数据中发现该候选体后，韦伯望远镜仅通过两次凌星观测就轻松证实这个系外行星的存在。 韦伯望远镜目前的设计寿命是十年，但有理由相信它是未来十几年最具革命性的天文观测设备之一，将带来许多令人激动的科学发现。这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，展开系外生命的寻找等。 我国在空间天文探索方面起步较晚，但已取得长足的进步。我国的暗物质粒子探测卫星以及“慧眼”硬X射线调制望远镜先后于2015和2017年发射，并在暗物质探测、中子星及黑洞等致密高能天体观测方面取得重大突破。特别值得一提的是，我国首个空间光学望远镜——中国空间站巡天望远镜（Chinese Survey Space Telescope，CSST），已进入全面研制阶段，预期将于2024年发射升空。刚刚在北京举办的首届CSST科学年会吸引了全国五百多名科研人员参加。这台2米的空间望远镜将提供大视场和高像质的优异性能，将极大地推动我国在空间天文方面的科研实力。另外，正在计划中的“爱因斯坦探针”及“宇宙热重子搜寻卫星”等空间项目也将极大拓展我们对宇宙的认识。参 考 文 献（略）