美國(guó)航天局(NASA)7月12日發(fā)布了詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的多張全彩宇宙圖像及光譜圖，此前一天，美國(guó)總統(tǒng)拜登公布了首張由韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的全彩宇宙深空?qǐng)D像。這些深邃的宇宙影像，立即引起了全球天文學(xué)家和科學(xué)愛(ài)好者的關(guān)注。

特別是首張圖像，它包含了上千個(gè)星系，但它所覆蓋的天區(qū)其實(shí)很狹小，僅相當(dāng)于你展開(kāi)手臂，觀察手指上的一粒沙子。這粒沙子般大小的天區(qū)，竟包含上千個(gè)類似銀河系的星系，那么整個(gè)宇宙有多少星系呢?雖然沒(méi)有準(zhǔn)確答案，但天文學(xué)家推測(cè)，很可能遠(yuǎn)不止1萬(wàn)億個(gè)。

韋布四大科學(xué)目標(biāo)令人振奮

作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者，韋布空間望遠(yuǎn)鏡于去年12月25日發(fā)射升空。它的科學(xué)目標(biāo)主要有4個(gè)，都令科學(xué)界為之振奮。

首要目標(biāo)是尋找宇宙演化史上的第一縷星光，探測(cè)第一代星系和恒星。“很多天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙大爆炸后1億年至2億年間，第一代星系和恒星就誕生了。是不是這樣?恒星和星系是不是同時(shí)形成的?韋布空間望遠(yuǎn)鏡有望告訴我們答案。”上海天文館網(wǎng)絡(luò)科普部部長(zhǎng)、上海市天文學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)施韡說(shuō)。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡的另外三大科學(xué)目標(biāo)，分別是研究星系演化、研究恒星演化和行星形成、探測(cè)系外行星大氣和地外生命。

施韡解釋說(shuō)，星系是如何演化的這個(gè)問(wèn)題，天文學(xué)家有不同觀點(diǎn)，韋布拍攝到的星系早期紅外圖像，有望為這場(chǎng)科學(xué)爭(zhēng)議提供權(quán)威答案。早期恒星可能尚未發(fā)生核聚變，呈現(xiàn)“原恒星”狀態(tài)。其溫度比較低，只有1000—2000℃，也適合韋布觀測(cè)。

太陽(yáng)系外的哪些行星可能存在生命?這個(gè)公眾關(guān)注度很高的問(wèn)題，或許韋布將提供重要線索。它能探測(cè)系外行星大氣的譜線，分析大氣中水、二氧化碳等成分的含量，從而找到宜居行星，甚至發(fā)現(xiàn)地外生命的跡象。

試圖捕獲宇宙中“第一縷星光”

韋布空間望遠(yuǎn)鏡之所以能捕獲近140億年前(宇宙大爆炸后1億年至2億年間)的星光，是因?yàn)樗挠^測(cè)能力十分強(qiáng)大。其有效直徑達(dá)到6.5米，由18個(gè)六邊形的凹面鏡組成，收集光線的面積是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的2.7倍。而且與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的可見(jiàn)光與紫外波段觀測(cè)不同，韋布空間望遠(yuǎn)鏡以紅外波段觀測(cè)為主，與宇宙中的“第一縷星光”性質(zhì)吻合。

第一代星系和恒星為何發(fā)出的是紅外波段星光?這要從“宇宙學(xué)紅移”說(shuō)起。這個(gè)現(xiàn)象是美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)的，指遠(yuǎn)離我們的星系所發(fā)出光的光譜會(huì)向紅色一端移動(dòng)，其原因是光的宇宙膨脹和多普勒效應(yīng)。

第一代星系和恒星發(fā)出的光，其峰值在紫外波段，但經(jīng)過(guò)上百億年的星際旅行，這些星光進(jìn)入了近紅外甚至中紅外波段，因此作為一個(gè)擁有“遠(yuǎn)大理想”的韋布望遠(yuǎn)鏡選擇在紅外波段工作。

宇宙星系數(shù)或不止1萬(wàn)億個(gè)

最近公布的韋布空間望遠(yuǎn)鏡“處女秀”圖像，捕捉到了距離我們130億光年的星系。它們發(fā)出的光，在經(jīng)歷130億年后才到達(dá)太陽(yáng)系，揭示了宇宙演化早期的秘密。施韡介紹，這幅圖像中央呈白色橢球狀是星系團(tuán)SMACS 0723，距離我們46億光年，它正好位于地球和130億光年外的星系中間，構(gòu)成了“三點(diǎn)一線”。由于星系團(tuán)巨大的質(zhì)量產(chǎn)生引力透鏡效應(yīng)，原本被星系團(tuán)SMACS 0723擋住的星系光芒因扭曲、變亮，被韋布空間望遠(yuǎn)鏡捕獲。

引力透鏡效應(yīng)是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種現(xiàn)象。由于時(shí)空在大質(zhì)量天體附近會(huì)發(fā)生畸變，光線經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體附近時(shí)發(fā)生彎曲。如果在觀測(cè)者到光源的直線上有一個(gè)大質(zhì)量的天體，則觀測(cè)者會(huì)看到由于光線彎曲而形成的一個(gè)或多個(gè)像，這種現(xiàn)象因形如凸透鏡的觀察效果，被稱為引力透鏡效應(yīng)。

在這幅只有一粒沙子大小的天區(qū)深空?qǐng)D像中，韋布空間望遠(yuǎn)鏡依靠其巨大的聚光能力，拍攝到了上千個(gè)星系。天文學(xué)家曾根據(jù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的某個(gè)天區(qū)星系數(shù)量，推測(cè)宇宙約有1萬(wàn)億個(gè)星系。作為下一代旗艦望遠(yuǎn)鏡，韋布不僅看得更多，而且看得更遠(yuǎn)，揭示出宇宙的星系數(shù)量很可能不止1萬(wàn)億個(gè)，說(shuō)不定還要增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。

施韡算了“一筆賬”：如果宇宙有10萬(wàn)億個(gè)(10的13次方)星系，而保守估算，平均每個(gè)星系有1000億—2000億顆(10的11次方)恒星，那么宇宙中的恒星數(shù)量高達(dá)2億億億顆(10的24次方)。由此可見(jiàn)，宇宙是多么浩瀚無(wú)垠!

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