前所未有的JWST观测挑战宇宙学准则

Chris Palmer

工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 6 -9.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (6) : 6 -9. DOI: 10.1016/j.eng.2024.05.003
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前所未有的JWST观测挑战宇宙学准则

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Unprecedented JWST Observations Contest Cosmological Canons

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Chris Palmer. 前所未有的JWST观测挑战宇宙学准则[J]. 工程（英文）, 2024, 37(6): 6-9 DOI:10.1016/j.eng.2024.05.003

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在经过18个多月近乎完美的运行后，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）继续带来惊喜，取得了令人意想不到的发现，为已知现象增添了新的复杂性，并对长期以来关于宇宙如何运行的理论提出了质疑。
美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学荣誉教授Garth Illingworth说：“这些仪器运行得非常好，基本上在所有情况下都比预期的要好。”Illingworth教授是30多年前发起这项任务的三位发起人之一。他说：“它的每一项性能指标都超出了预期，考虑到它的复杂性，这实在令人惊叹。”Illingworth教授所说的复杂性包括30年的规划、设计和建造，然后其从地球发射并飞行1.5 × 106 km后进入第二拉格朗日（L2）轨道，再将其直径为6.5 m的主镜的18个节段展开并锁定到位，同时部署8个马达、90根电缆和大约400个滑轮以展开其脆弱的遮阳板[1‒2]。
韦布的最新发现之一，是在一颗幼年恒星周围的行星形成气体和尘埃盘的内部区域发现了水和其他分子，首次表明类地岩石行星可以在非常极端的环境中形成[3]。最近的JWST观测还首次探测到太空中其他非凡的分子，包括在距离地球123亿光年处发现的有史以来最古老和最遥远的复杂有机分子[4]，发现已知宇宙中最冷的冰分子，这些冰分子是孕育生命的基石[5]，以及发现近地彗星中存在冰冻水的证据，这可能有助于解释地球上水的来源[6]。
除了通过使用JWST做出这些前所未有的发现外，天文学家还利用JWST优越的分辨率和灵敏度，对天文学中早已被人熟知的天体和现象进行了更深入的观察。例如，1987年，当近四个世纪以来观测到的最近、最明亮的超新星突然出现在天空中时，研究人员使用了世界上最强大的望远镜——包括JWST的前身哈勃空间望远镜（HST）——来追踪这场惊人的爆炸。虽然使用哈勃进行的观测带来了许多关于恒星演化的发现，但仍无法确定超新星尾迹中留下的物体是黑洞还是中子星[7]。现在，JWST上极其灵敏的近红外和中红外光谱仪可以通过识别超新星中心的电离氩和硫气体的排放来解开这个谜团，而电离氩和硫气体是中子星存在的明显迹象（图1）[8]。
这个例子展示了JWST的一个优势。“哈勃望远镜的大多数伟大发现都与它所拍摄的图像有关，这些图像实在是太了不起了。但是它的光谱能力非常有限。”Illingworth说，“虽然韦布望远镜拍摄到的图像也吸引了很多关注，但我们慢慢意识到，它的光谱能力非常非常的强大。你可以把韦布想象成一个能拍出很棒图像的光谱望远镜。”
JWST的近红外成像仪以及无缝摄谱仪（NIRISS）和近红外摄谱仪（NIRSpec）设备已被证明在使用透射光谱研究系外行星大气方面非常宝贵。为此目的收集数据需要等待一颗行星在恒星等明亮物体前方经过，然后测量恒星特定波长的光的吸收情况，从而推断系外行星大气中存在的不同的分子和粒子。2023年9月，天文学家报道称，他们使用JWST在系外行星K2-18 b的大气中探测到了甲烷和二氧化碳，以及二甲基硫醚（一种由地球生物产生的物质）的潜在痕迹。这些发现表明，在K2-18 b的富氢大气层下有一个海洋。K2-18 b是一颗质量是地球质量8.6倍的系外行星，围绕120光年外的矮星K2-18运行（图2）[9]。
美国伊利诺伊州芝加哥大学的天文学和天体物理学教授Wendy Freedman说：“JWST探测这些行星大气层中单个元素或分子的能力现在已经变得非常有趣。能够高精度地探测大气中的水和其他分子，可以告诉我们这些行星是如何形成的，这些行星上的条件怎么样，以及它们是否能够孕育生命。”
尽管许多科学家公开表示，把这些发现作为其他行星上存在生命的证据还为时过早[10]，而有些研究人员则对这些数字进行了分析，以确定韦布在遥远行星上发现生命的能力[11]。这项工作包括获取地球大气层的光谱，降低数据质量以模拟几十光年外的观测者所看到的情况，并使用一个复制JWST仪器灵敏度的计算机模型来运行数据。计算表明，JWST如果从银河系内的另一个太阳系凝视着我们，它可以发现地球上人类文明的迹象，如甲烷、氧气、二氧化氮和氯氟化碳等[11]。
虽然JWST解决了许多悬而未决的问题，但它的一些观测结果却让天文学家头疼不已。哈勃常数用于描述宇宙膨胀的速度，许多业内人士一直渴望该望远镜能够提供哈勃常数的观测数据。“确定哈勃常数是目前宇宙学面临的最大挑战。”Illingworth说。
计算这个常数的一种方法是基于普朗克卫星对宇宙中最古老的光——宇宙背景微波辐射——在整个天空的波动的观测。这些观测数据表明，宇宙正以67.4 km∙s-1·Mpc-1（1 Mpc约为300万光年）的速度膨胀。2023年，智利阿塔卡玛宇宙望远镜（Atacama Cosmology Telescope）重现了这一结果[12]。
另外，天文学家还利用HST来测量被称为“造父变星”（Cepheids）的闪烁恒星的距离和速度。该方法将哈勃常数定为73 km∙s-1·Mpc-1。韦布在红外波段具有更高的灵敏度，因此科学家们一直希望它能够提供比哈勃更清晰的造父变星图像，并得出一个更符合普朗克观测结果的哈勃常数。然而，它的发现与哈勃的发现几乎完全相同（图3）[13]。由于JWST未能缓解所谓的哈勃张力（Hubble tension），天文学家可能面临将新的物理学纳入宇宙学标准模型的问题，可能的方法之一是添加一种新形式的暗能量或暗物质[14]。
Freedman是2001年从HST数据中推导出哈勃常数的小组中的一员。她说，她的小组目前正在研究使用JWST测量星系距离的三种新方法，以确定是否可以更精确地测量哈勃常数。Freedman说：“如果这些数据非常一致，那会很有意思，因为让我们感觉已经克服了任何系统性影响。如果数据不一致，则说明了测量的总体不确定性。”
韦布对我们理解宇宙的另一个挑战来自于我们观测到早期的星系总是出乎意料的明亮[15]。因为亮度常常代表着质量，意味着这些早期星系的质量增长得太大、太快，无法用目前的模型来解释。Freedman说：“如果结果成立，这表明我们无法了解星系在宇宙早期是如何形成的。我们将在很长的时间内讨论这些结果的含义。”
这个结果可能不成立的一个原因是，星系的亮度虽然与质量有关，但也可能受到其他因素的影响，并且与附近的宇宙有不同的关系。美国新泽西州皮斯卡塔韦的罗格斯大学物理学和天文学助理教授Kristen McQuinn说：“光到质量的转换有很多假设。”她说，科学家们正在应对这一意外结果，要么重新评估光到质量的转换的假设，要么调整他们的理论以适应观测结果。
例如，一个理论家团队最近创建了一个适应标准模型的模型，提出这些早熟星系中的恒星是以偶然的爆发方式形成的，而不是以较老的星系中看到的稳定速率形成的[16]。其他假定解释包括：早期星系所含的尘埃比后期的星系少得多，因此对其真实质量的计算有误；由于气体压力和温度较高，早期宇宙中恒星形成的速度更快；或者，大质量黑洞的形成比想象的要早，并更快地将尘埃和气体云压缩成恒星[17‒18]。
Freedman说，其他天体物理学理论肯定会被讨论，天文学家将收集更多的数据来试图解释这些意想不到的观测结果。尽管如此，许多天文学家还是对初步结果的含义很感兴趣。罗切斯特理工学院（美国纽约州罗切斯特）物理学和天文学副教授Jeyhan Kartaltepe说：“发现与模拟不符的东西，是一件很有意义的事情，因为这意味着我们对于某些物理现象还不太了解，我们需要调整所使用的模型。探索关于宇宙演化的新观点是相当令人兴奋的。”
尽管天文学界普遍热情高涨，但是JWST的推出过程中也出现了一些小问题。Kartaltepe说：“中红外仪器在较长波长出现无法解释的灵敏度降低，这种情况已经稳定下来了。这可能是令人失望的地方，因为它对微弱的光可能不像预期的那么敏感。”
Illingworth说，业内许多人更担心的是为处理JWST的数据而开发的软件。通常，在使用相关数据之前，必须考虑JWST这类望远镜固有的特性，如反射镜略微错位或探测器灵敏度的变化。Illingworth说，JWST为此目的开发的软件存在不足，导致望远镜运行的最初几个月的结果不可靠[19]。“这基本上是一次失败，很多人为此感到苦恼，”他说。
虽然Freedman同意初始软件版本存在问题，但她表示，这在一定程度上是意料之中的，HST最初的数据处理软件也存在类似问题，必须予以纠正。她说：“我们在韦布身上看到的是常见的初期问题。但我们正在克服这些问题，并取得了非常显著的成果。”
无论如何，这些问题并没有阻止科学家申请使用该望远镜，在最近的审查周期中，只有不到九分之一的申请被批准[20]。“这对我们来说太成功了。”McQuinn说，“因为真的很难获得使用时间。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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