本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：水兄，题图来自：视觉中国
北京时间7月12日晚，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，以下简称韦布望远镜）的首批科学图像正式亮相，它们向我们展示了一个全新的宇宙。
美国航天局公布的詹姆斯·韦布空间望远镜首批科学图像 | NASA/ESA/CSA/STScI
这一刻，几乎所有人都觉得，25年的漫长等待值了，100亿美元的超额花费值了！
我们不妨先分别用一句话概括首批公布的5张图片：
星系团 SMACS 0723：一臂之远的一粒沙子中竟然包含了上千个星系；
系外行星 WASP-96b：首次详细揭示了太阳系外行星大气中水的特征；
行星状星云 NGC 3132：展示了垂死恒星的华丽谢幕；
斯蒂芬五重奏星系：拨开云雾，透视了超大质量黑洞附近的气体的速度与组成；
船底座星云：透过浓密尘埃瞥见新恒星的诞生。
詹姆斯·韦布空间望远镜 | NASA
为什么选择这些目标？
韦布望远镜是美国航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、加拿大航天局（CSA）共同研发的新一代空间望远镜，不仅被认为是哈勃空间望远镜的“继任者”，更被认为是“史上最强望远镜”。
早在哈勃望远镜发射前一年，也就是1989年，天文学家就在讨论“下一代空间望远镜”的概念了，计划建造一台口径更大、工作在红外或极紫外波段的空间望远镜，与哈勃望远镜形成互补。
韦布空间望远镜（左）与哈勃望远镜（右）的外观对比 | NASA
1996年，韦布望远镜开始研制。这是人类设计过的最大、最复杂的空间望远镜，在它身上应用了多项最尖端的科学技术，如折叠的拼接式镜片、可自动展开的薄膜型遮光罩、低温促动器、轻量化光学元件、超精细摄谱仪、全新的热控技术等等。
它的主镜口径达到6.5米，是哈勃的2.7倍；遮光罩展开后长达21米，相当于网球场大小；它工作在波长为0.6~28.5微米的红外波段。
韦布望远镜（右）与哈勃望远镜（左）的主镜对比 | NASA
这些都意味着韦布望远镜有着非同寻常的科学目标——
早期宇宙——拥有红外视觉的它，将成为一台强大的“时间机器”，可以回溯到135亿年前，看到宇宙诞生后不久，在黑暗中形成的第一代恒星和星系；
星系演化——超大镜面和超灵敏的红外探测设备将捕捉到到最微弱、最早的星系“化石”，它们与当前宇宙的星系进行比较，可帮助我们了解数十亿年来星系如何演化；
恒星一生——红外线具有穿透尘埃的本领，这让韦布望远镜具备了一副“火眼金睛”，看穿隐藏在尘埃之下，恒星与行星是如何诞生的；
系外行星——韦布望远镜将告诉我们更多关于系外行星大气层的信息，并依此判断宇宙中其他地方是否存在产生生命活动的最基础条件。
如此宏伟的科学目标和巨大的工程难度，使得韦布望远镜的研制过程异常艰难。最初计划2007年发射的它，直到2021年圣诞节，才终于如愿起飞，因此它也被许多爱好者戴上了“鸽王”的帽子。
韦布望远镜的展开过程 | NASA
在经过了150万公里的长途跋涉，约360个展开动作后，韦布望远镜终于进入到自己的工作轨道。又经历了长达数月的一系列复杂的镜片校准和仪器测试，它才终于准备就绪。
韦布望远镜的工作轨道，距离地球150万公里 | Dr. James O'Donoghue
当科学家看到它传回的第一张照片时，现场一片欢腾，甚至有人被直接感动落泪。韦布望远镜的成像质量甚至比预期的还要好！
韦布望远镜开工啦！| NASA
首批公布的5张图片，可以说是全面展现了韦布望远镜的卓越性能，为我们呈现了一个前所未见的宇宙。
星系团 SMACS 0723
这是韦布望远镜的首张深场图像，显示的是一个编号为 SMACS J0723.3−7327 的星系团（可缩写为 SMACS 0723）。
星系团 SMACS 0723 | NASA/ESA/CSA/STScI
它由数百个星系共同组成，距离地球大约46亿光年——也就是说，韦布望远镜收集到的这些光子，在它们从星系团启程出发时，我们的地球才刚刚诞生！
图中容易吸引人眼球的，是一颗光芒万丈的星星。然而，它不过是银河系中一颗不知名的暗弱恒星，只是由于离我们较近，才一不小心成功抢戏。
在那颗亮星的下方，图片的中央，你能见到几个明亮的、白色的、呈现圆形或椭圆形的斑点，它们就是星系团的成员。
上图细节，注意那些扭曲的红色弧线，那是被星系团引力透镜放大的更遥远的星系 | NASA/ESA/CSA/STScI
在星系团的周围，你或许已经注意到有几十条细长而弯曲的弧线，像融化了的太妃糖。它们事实上是更遥远的星系——远至 100 多亿光年外。
它们原本躲在 SMACS 0723 的身后，不过，SMACS 0723 强大的引力作用，使周围时空发生扭曲，将远方星系路过的光掰弯了，于是呈现出多个重复的像，犹如透过一个凸透镜进行观察。
这种现象叫“引力透镜效应”。
星系团 SMACS 0723 部分背景星系的特征谱，它们距离我们都超过100亿光年 | NASA/ESA/CSA/STScI
当我们继续环顾四周，会发现这张图片中密密麻麻遍布着数千个模糊的亮斑。它们都是完整的星系，每一个都拥有上千亿颗恒星。它们大多位于几十亿光年以外，个别呈现暗红色的星系，距离我们达到了130亿光年。
它们呈现的，是宇宙儿童时期的样子。
韦布分辨出了131亿光年之外一个星系的物质构成，存在氢、氖、氧等元素 | NASA/ESA/CSA/STScI
值得一提的是，哈勃空间望远镜也拍摄过同一天区，然而哈勃深场图通常累计曝光时间长达数天甚至两周，而拥有巨大镜面的韦布望远镜，仅花了12.5个小时，效果就超过了哈勃。
上图细节（左排）与哈勃望远镜拍摄同一天区（右排）的对比 | NASA/ESA/CSA/STScI/c_victor_astro
系外行星 WASP-96 b
WASP-96是一颗距离地球约1100光年的类太阳恒星，拥有一颗不同寻常的行星 WASP-96 b。据推测，这颗行星距离恒星只有700万公里，每3.4天就公转一周，其大小与木星相当，但质量只有木星的一半。
根据这些信息判断，这应该是一颗所谓的热木星，大气层顶部应该非常热，可达为1000°C，这样的高温使得大气膨胀。
太阳系外行星WASP-96 b的想像图，就连韦布望远镜也无法直接拍到它的影像 | Astronomy.com
更重要的是，从地球上看，这颗行星每一圈公转都会从恒星前面经过，这种现象称为凌日。此时，恒星发出的光将先穿过这颗行星的上层大气，才能到达地球。
行星大气中的原子和分子会吸收特定波长的光。如果把恒星的光分解成像彩虹一样的光谱，就会发现光谱上留下了额外的暗线。这被称为吸收线，是那颗行星大气成分的印迹。
类太阳恒星 WASP-96的光谱，透露了绕它旋转的行星WASP-96 b的大气成份 | NASA/ESA/CSA/STScI
这张图片事实上是行星WASP-96 b 发生凌日时类太阳恒星 WASP-96 的光谱。从图中我们看到WASP-96 b 大气中存在显著的水蒸气。记录到的数值波动还反映出行星大气中含有云和霾的特征。
韦布望远镜强大的光谱分辨本领，让我们获得了有史以来最清晰的系外行星大气成分的数据。
通过凌星探测行星大气成分的原理 | 本文作者
这张图片验证了韦布望远镜观测系外行星的能力。通过这种方法，我们有望获得更多关于系外行星大气的信息，从而判断该行星是否宜居，甚至侦测其有无生命活动迹象。
行星状星云 NGC 3132
NGC 3132 是一个行星状星云，距离地球约 2000 光年，又被称为南天环状星云。
它的前身是一颗类似太阳的恒星，核心燃料耗尽后快速膨胀成为一颗红巨星。最终外层物质扩散脱离星体，核心则坍缩成白矮星，核心外围的物质以更高的温度、更快的速度被推出去。
这就是它形成的过程。
行星状星云 NGC 3132的近红外影像 | NASA/ESA/CSA/STScI
上图由韦布望远镜的近红外相机（NIRCAM）拍摄，由低温分子气体和尘埃组成的外层物质用橙色表示，中间的蓝绿色则是更热的等离子体。图中能看出，外层物质的结构非常厚实且复杂。
行星状星云 NGC 3132的中红外影像 | NASA/ESA/CSA/STScI
这张图片则由韦布望远镜的中红外相机（MIRI）拍摄。更长的波长让我们发现，NGC 3132 的中心实际上是两颗恒星，另一颗恒星还没有走到生命的终点。
行星状星云 NGC 3132 局部，透过星云能看到更遥远的星系 | NASA/ESA/CSA/STScI
如此精细的结构有助于我们了解像太阳这样的恒星死亡时的情况，了解上一代恒星抛射出去的物质如何“化作春泥”成为下一代恒星形成所需的养料。
有趣的是，红外线对尘埃具有一定穿透力，这让我们清楚地看到了星云背后十分遥远的星系。
同样是南天环状星云，韦布望远镜的拍摄效果远远超过哈勃望远镜 | NASA/ESA/CSA/STScI/Alain Mir
斯蒂芬五重奏星系
斯蒂芬五重奏星系本身就是一个非常有魅力的目标。
实际上它由两部分组成：其中4个星系构成一个相互作用的小星系群，距离地球约3亿光年；另一个为前景星系，也就是画面左侧那个，离地球只有4000万光年，跟其他4个没有物理上的关联。
近红外相机拍摄的斯蒂芬五重奏星系 | NASA/ESA/CSA/STScI
上图为近红外相机拍摄的图像，显示了该星系群中相对较冷的气体和尘埃。红色部分是在NGC 7318 a 和 b （画面中央）两个星系剧烈碰撞过程中被甩出去的物质。经过一段时间冷却后，这些物质有机会形成新的恒星。
中红外相机拍摄的斯蒂芬五重奏星系 | NASA/ESA/CSA/STScI
而在中红外图像上，NGC 7139 （上方）星系中心显得非常明亮。这意味着，我们看到的是来自一个超大质量黑洞外围的光芒。这个黑洞正在贪婪地吞噬着星系核心的气体和尘埃，这些物质在下落过程会升温并发出强烈的电磁辐射。
相比于哈勃拍摄的斯蒂芬五重奏星系，韦布的照片更清晰地显现出了星系中的气体和尘埃 | NASA/ESA/CSA/STScI/Philippe Smet
船底座星云
在船底座的南部，有一个弥漫着气体和尘埃的巨大星云，叫作船底座星云（Carina Nebula）。它距离地球大约7000光年，是银河系最活跃的恒星形成区之一。
近红外相机拍摄的船底座星云 | NASA/ESA/CSA/STScI
这张图同样也是近红外相机所拍。山峦一样的结构是星云里的气体和尘埃。画面顶端显示出一些质量巨大、非常明亮的恒星，它们吹出的星风侵蚀着气体和尘埃，将它们一路向西推，就像海浪冲刷着沙滩一样，留下了泾渭分明的界线。
这张照片也被很多网友认为是首批5套图片中最美的一张。很多人的电脑桌面、待机画面、封面都已经换成了这张照片。
中红外相机拍摄的船底座星云 | NASA/ESA/CSA/STScI
韦布望远镜的中红外相机同样也拍摄了船底座星云。图片中粉红色和红色的，是正在诞生或刚刚诞生的恒星。
它们中一部分产生了强烈的辐射和星风，将包裹自己的气体吹走，于是形成了气泡或空腔；而另一些仍然被形成它们的尘埃物质深深包裹着。
事实上，这一过程只会持续5万年至10万年，这在恒星的一生中堪称一瞬，韦布望远镜以其极高的灵敏度捕捉到了这一美妙时刻。
船底座星云的同一个局部，韦布的图像比哈勃通透得多 | NASA/ESA/CSA/STScI/Alain Mir
星空之美，美不胜收；宇宙之妙，妙不可言。韦布望远镜的首批照片把我们带入了梦境般的宇宙深处，令人陶醉不已。
然而，这仅仅是个开始。
我们有理由相信，韦布望远镜会将我们对宇宙的认知推向一个前所未有的高度，让我们的视野推向无尽的远方。
本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：水兄