NASA的韋伯望遠鏡將如何利用斯皮策號望遠鏡留下的寶貴財富?

當通向宇宙的一扇窗戶關閉時，另一扇就會打開，而且視野或許會更好。而那些由第一扇窗戶觀察到的星球、恆星以及星系，通過第二扇窗戶，我們可以觀察得更細緻。

美國航天局的斯皮策太空望遠鏡於2020年1月30日結束任務，完成長達16年的探索之旅。斯皮策發現了許多超出其設計者想像的新事物，例如位於太陽系外的系外行星以及形成於宇宙早期的星系。而預計在2021年發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡將會對這些發現進行更深入的研究。

斯皮策太空望遠鏡，圖源：百度百科

來自加利福尼亞州帕薩迪納美國宇航局噴氣推進實驗室，跟進斯皮策太空望遠鏡項目的科學家麥可·維爾納表示：「由於斯皮策帶來的新發現，我們對太空產生了許多新疑問，所以很高興能有韋伯望遠鏡這麼強大的後續項目會對此進行深入研究。」

韋伯望遠鏡和斯皮策望遠鏡都配有專業的紅外檢測儀，可以檢測到人眼不可見的紅外光線。而因為巨大的鍍金鈹鏡和九項新技術，韋伯望遠鏡的檢測能力是斯皮策望遠鏡的1000倍左右。這臺即將問世的望遠鏡將推動斯皮策的科學發現推向新的前沿，從分析識別系外行星大氣層的化學物質到定位第一批形成於宇宙大爆炸時期的星系。

韋伯太空望遠鏡，圖源：百度百科

不管在科學發現方面，還是在這種太空望遠鏡的操作運行上，斯皮策號望遠鏡都是韋伯望遠鏡的開路者。為了檢測到高靈敏度的紅外光線，望遠鏡必須處於超低溫狀態。斯皮策望遠鏡已經向工程師們展示了在廣闊的太空中，一個紅外觀測臺是如何運行的，以及溫度任務的規劃者應使韋伯處於怎樣的溫度狀態。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡科學通訊的副項目科學家安布爾·斯特勞恩表明：「在太空中放置一個巨大的望遠鏡很難，而要使其處於低溫狀態則更難。但斯皮策讓我們明白，在低溫狀態下，一臺望遠鏡在太空中怎樣更好地運行。」

這臺望遠鏡已有的發現對各科的天文學家來說都是一筆巨大的財富，超過8700份科學論文都是在此基礎上完成的。這些誘人的成果都是在為一臺性能更好的望遠鏡再次探索宇宙做準備，韋伯也已為此做好準備。下面是斯皮策的一些成就，韋伯將在此基礎上繼續探索。

系外行星

斯皮策最令人震驚的發現之一是一顆名為TRAPPIST-1的小型暗星，而這顆恆星周圍共有七顆地球大小等的巖質行星繞其運行。TRAPPIST-1行星系統是除太陽系外最值得天文學家們研究的，但現在人們對其仍知之甚少。

TRAPPIST-1行星藝術圖，圖源：百度百科

TRAPPIST-1e 是繞該恆星運轉的第四顆行星，它的密度和表面重力與地球相仿，而且來自TRAPPIST-1的輻射很充足，溫度適宜液態水。韋伯望遠鏡將會繼續觀察研究這顆行星，以便充分了解它是否有大氣層，如果有，其化學成分又是什麼。

化學分子的存在將暗示著一顆星球擁有液態水和具備其他宜居條件，比如在火星和金星佔主導地位的二氧化碳。韋伯也將檢測大氣中的水分；另外，韋伯還將會搜尋來自TRAPPIST-1b的熱量，它是距離TRAPPIST-1恆星最近的一顆行星。

來自紐約伊薩卡市康奈爾大學的天文學助理教授尼科爾·劉易斯表示：「類地行星上的氣體多樣性很可能超出了我們的想像，因此任何有關這些行星上的氣體信息對我們來說都是非常有用的。」

WASP-18b是斯皮策發現的另一個很具有研究價值的行星，韋伯也將在任務早期的觀察中進行進一步的調查。WASP-18b的質量是木星的十倍，這顆氣體巨星距它的恆星非常近，公轉周期為23小時；由於溫度極高——高達4800華氏度（2650攝氏度)——體積巨大，它又被稱作「熱木星」。2017年，通過計算斯皮策和哈勃傳回的數據，天文學家們發現它的上層大氣中含有大量的一氧化碳和微量的水蒸氣。因為距離其恆星的距離非常近，甚至正處於被完全撕裂的危險之中，WASP-18b的壽命可能只有一百萬年。天文學家們通過韋伯望遠鏡觀察WASP-18b大氣層中發生的變化，這將使他們進一步了解這顆「熱木星」。

斯皮策還傳回了系外行星史無前例的天氣報告。2007年，它首次繪製了一顆系外行星——熱木星HD 189733b——的表層地圖，這張地圖展示了HD 189733b的雲頂及溫度變化情況；2016年，斯皮策製作出了「55 Cancri e」的氣候變化模式圖，55 Cancri e是一顆體積大於地球兩倍、熔巖覆蓋的星球。斯皮策所傳回的地圖中有很多值得科學家研究的東西，因此，他們希望韋伯能傳回更多有關研究的信息。

其他外來物

在鑑別和描繪褐矮星上，斯皮策取得了相當不錯的進展。褐矮星是一種比體積大於恆星但質量小於恆星的星球，恆星通過氫聚變獲得自身能量，但褐矮星不是這樣的。斯皮策已經能夠觀察到褐矮星大氣層上的雲層，以及它們隨著時間移動、改變形狀的過程。韋伯也將研究褐矮星雲層的特性，並對它們的物理性質做出更深入的研究。

圖源：知乎

在研究圍繞恆星旋轉的氣體和塵埃組成的圓盤時，紅外光檢測已經成為一項革命性的技術，斯皮策和韋伯望遠鏡對圓盤發出的紅外光都很靈敏。斯皮策所研究的圓盤含有形成行星的原材料，它們甚至可能代表著地球和其它行星形成之前太陽系的存在狀態。斯皮策已觀察到新星周圍的粒子開始轉變成小行星體，並且發現一些圓盤中的物質與太陽系彗星中的物質很類似。韋伯也將觀察類似的圓盤並發現更多有關行星形成過程的信息。

大量的星系

當光從遙遠的地方傳播到地球上時，其波長會變長，因為宇宙正在膨脹，而且發光物體也在遠離地球。就像汽笛聲隨著救護車的離開聲音越來越小，來自遙遠星系的光的頻率也會降低，這種現象叫做「紅移」。這意味著隨著時間的流逝，恆星在宇宙早期發出的可見光會以紅外光的形式到達地球。因此，紅外光成為了探索宇宙古老過去的強有力工具。

紅移現象 圖源：百度百科

精確定位數千億的星系就目前而言是不可能的，但斯皮策已經製作出了代表宇宙不同部分的大型星系目錄，其中包括目前所知道的最遙遠的星系。斯皮策和哈勃太空望遠鏡所完成的大範圍調查，有助於天文學家們有效尋找可供韋伯深入研究的目標。

比如斯皮策和哈勃一起拍攝的GN-z11星系照片，該照片保留了迄今為止測量到的最遙遠星系的記錄。它是一顆宇宙只有4億歲的遺蹟星球，那時的宇宙存在時間只有現在的3%，體積小於現在的10%。

「斯皮策已經研究了數千個星系，並通過觀察星空繪製了銀河系地圖並完成了其他具有開創性的壯舉，」位於加利福尼亞州帕薩迪納市，加州理工學院/IPAC斯皮策科學中心的經理肖恩·凱裡說。「韋伯望遠鏡不具備這樣的能力，但它將專注於斯皮策調查結果中最值得研究的目標，並將向人們展示它們的高清面貌。」

而且，韋伯望遠鏡具有高靈敏度，有望尋找到形成於宇宙更早期的星系。但對於這些遙遠的星系，天文學家們仍存許多疑問：很多恆星形成於這些星系之中嗎？這些恆星富有氣體嗎？有黑洞的存在於星系中心嗎？那些黑洞與恆星間有怎樣的相互作用？另外，幾十年來，科學家們一直在思考一個類似於先有雞還是先有蛋的問題:是先形成黑洞還是先形成了周圍的星系？

「不久，我們就能夠看到我們從未見過的宇宙中最古老的星系。」 斯特勞恩說。

而在更近處，斯皮策還研究了一種被稱為極亮紅外星系（LIRG）的神秘星系。這樣的星系每秒產生的能量是普通星系的數十到數百倍，而其中大部分能量以遠紅外光的形式釋放。科學家們通過斯皮策望遠鏡研究LIRG星系，了解了在星系發生碰撞與合併的快速演化時期，恆星的形成和黑洞的成長。這種碰撞在60億到100億年前更為常見，它們影響了已知宇宙的演化。

極亮紅外星系NGC2623，圖源：哈勃望遠鏡

韋伯LIRG星系觀測項目的領導人，加州理工大學的李·阿瑪斯說，「韋伯將從斯皮策那裡獲得靈感，對遠近各種距離的LIRG星系進行研究，以便深入了解在宇宙時間內的星系演化過程中，星系合併、恆星形成時發生的爆炸以及超大質量黑洞增長的作用。」

作者: Tony Greicius

FY: 仙人胖胖

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