詹姆斯·韦伯太空望远镜

编者按：本文重点介绍了韦伯科学进展中的数据，这些数据尚未通过同行评审。 9月5日，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄了第一批火星图像和光谱。该望远镜与ESA（欧洲航天局）和CSA（加拿大航天局）的国际合作项目，以其红外灵敏度为我们的邻居星球提供了独特的视角，补充了轨道飞行器、火星车和其他望远镜收集的数据。 韦伯独特的观测站位于近一百万英里外的日地拉格朗日点L2，提供了火星可观测圆盘（面向望远镜的阳光照射面的一部分）的视图。 因此，韦伯能够以所需的光谱分辨率捕获图像和光谱，以研究诸如沙尘暴、天气模式、季节变化等短期现象，以及在单次观测中发生在火星一天的不同时间（白天、日落和 夜间）的过程。 由于距离太近，无论是可见光（人眼可见）还是韦布设计用来探测的红外线，这颗红色星球都是夜空中最亮的物体之一。这对天文台提出了特殊的挑战，该天文台是为探测宇宙中最遥远星系的极微弱光线而建造。韦伯的仪器非常敏感，如果没有特殊的观测技术，来自火星的明亮红外光会令人眩目，造成一种被称为“探测器饱和”的现象。天文学家通过使用非常短的曝光时间，只测量到达探测器的部分光线，并应用特殊的数据分析技术，来调整火星的极端亮度。 韦伯的第一张火星图像由近红外相机（NIRCam）拍摄，以两种不同的波长或红外光颜色显示了火星东半球的一个区域。这张图片显示了来自NASA的表面参考图和左侧的火星轨道器激光高度计 (MOLA)，两个韦伯NIRCam仪器的视野重叠在一起。韦伯的近红外图像显示在右侧。 2022年9月5日，韦伯的NIRCam仪器拍摄到了第一张火星图像[保证时间观测计划1415]。左图：NASA和火星轨道器激光高度计（MOLA）观测到的火星半球参考地图。右上角：NIRCam图像显示2.1微米（F212滤光片）反射的阳光，显示了陨石坑和尘埃层等表面特征。右下角：同时拍摄的NIRCam图像显示约4.3微米（F430M滤光片）的发射光，显示了温度与纬度和一天中时间的差异，以及大气影响导致的海腊斯盆地变暗。亮黄色区域正好处于探测器的饱和极限。 影像来源：NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO team NIRCam较短波长（2.1微米）的图像（右上角）主要由反射的阳光组成，因此显示出与可见光图像相似的表面细节（左上角）。这张照片中，惠更斯陨石坑的环形山、大锡尔蒂斯火山的深色火山岩以及海腊斯盆地的光亮都很明显。 NIRCam长波（4.3微米）图像（右下）显示了热发射——行星在失去热量时发出的光。4.3微米光的亮度与地表温度和大气温度有关。地球上最明亮的区域是太阳几乎在头顶上的地方，因为那里通常最热。极地地区的亮度越来越低，那里接收的阳光越来越少，而寒冷的北半球发出的光线也较少，一年中的这个时候正处于冬季。 然而，温度并不是影响4.3微米的光到达韦伯滤光片数量的唯一因素。当行星发出的光穿过火星大气层时，一些光会被二氧化碳分子吸收。海腊斯盆地是火星上保存完好的最大撞击结构，横跨1,200英里（2,000公里），由于这种影响，它看起来比周围更暗。 “这实际上不是海腊斯的热效应。”NASA戈达德太空飞行中心的首席研究员杰罗尼莫·维拉纽瓦解释道，他设计了这些韦伯观测。“海腊斯盆地海拔较低，因此空气压力较高。由于称为压力展宽的效应，较高的压力会抑制该特定波长范围 [4.1-4.4 微米] 的热发射。在这些数据中梳理这些相互竞争的效应将非常有趣。” 维拉纽瓦和他的团队还发布了韦伯的第一个火星近红外光谱，展示了韦伯用光谱研究这颗红色星球的能力。 虽然这些图像显示了在特定的日期和时间，火星上不同位置的大量波长上的亮度差异，但光谱显示了代表整个火星的数百种不同波长之间亮度的细微变化。天文学家将分析光谱的特征，以收集有关火星表面和大气的额外信息。 作为保障时间观测计划1415的一部分，韦伯于2022年9月5日通过近红外光谱仪（NIRSpec）在3个狭缝光栅（G140H、G235H、G395H）上拍摄到火星的第一个近红外光谱。光谱主要是由波长小于3微米的反射光和波长较长的热发射组成。初步分析表明，光谱下降出现在特定波长，光被火星大气中的分子吸收，特别是二氧化碳、一氧化碳和水。其他详细信息显示了有关尘埃、云层和地表特征的信息。通过构建光谱的最佳拟合模型，例如使用行星光谱发生器，可以推导出大气中给定分子的丰度。 影像来源：NASA, ESA, CSA, STScI, Mars JWST/GTO team 该红外光谱是通过结合韦伯近红外光谱仪（NIRSpec）所有六种高分辨率光谱模式的测量而获得的。对光谱的初步分析显示了一组丰富的光谱特征，其中包含有关尘埃、冰云、行星表面的岩石类型以及大气成分的信息。水、二氧化碳和一氧化碳的光谱特征（包括被称为吸收特征的深谷）很容易被韦伯探测到。研究人员一直在分析这些观测的光谱数据，并正在准备一篇论文，他们将提交给一份科学期刊，供同行审查和发表。 未来，火星研究小组将利用这些成像和光谱数据来探索整个星球的区域差异，并在大气中寻找微量气体，包括甲烷和氯化氢。 这些对火星的NIRCam和NIRSpec观测是作为韦伯第1周期保证时间观测 (GTO) 太阳系计划的一部分进行，该计划由AURA的海蒂·哈梅尔领导。 参考来源： https://blogs.nasa.gov/webb/2022/09/19/mars-is-mighty-in-first-webb-observations-of-red-planet/

编者按：这篇文章重点介绍了韦伯科学进展的图片，这些图像尚未通过同行评议。 天文学家首次使用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄系外行星的直接图像。这颗系外行星是一颗气态巨行星，这意味着它没有岩石表面，不适合居住。 通过四个不同的滤光器看到的这幅图像，展示了韦伯强大的红外探测能力如何轻松捕捉太阳系以外的世界，为未来的观测指明了方向，这些观测将揭示更多系外行星的信息。 这张图像显示了系外行星HIP 65426 b在不同的红外波段，如詹姆斯·韦伯太空望远镜所见：紫色显示NIRCam仪器在3.00微米处的视图，蓝色显示NIRCam仪器4.44微米处的视图，黄色显示MIRI仪器11.4微米处的视图，红色显示了MIRI仪器15.5微米处的MIRI仪器视图。由于不同的韦伯仪器捕获光的方式，这些图像看起来不同。每台仪器中都有一组被称为日冕仪的遮罩，它可以挡住主星的光，以便可以看到这颗行星。每张图像中的小白星标记了主恒星HIP 65426的位置，该位置已通过日冕图和图像处理减去。NIRCam图像中的条形是望远镜光学系统的伪影，而不是场景中的物体。 （未标记版本）来源：NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI). “这是一个变革性的时刻，不仅对韦伯，对整个天文学来说也是如此。”英国埃克塞特大学物理学和天文学副教授萨沙·辛克利说。辛克利他在一项大型国际合作中领导了这些观测。韦伯是由NASA与其合作伙伴ESA（欧洲航天局）和CSA（加拿大航天局）共同领导的一项国际任务。 韦伯照片中的系外行星，称为HIP 65426 b，质量约为木星的6至12倍，这些观测结果有助于进一步缩小其质量范围。就行星而言，它还很年轻——大约1500万到2000万年，相比之下，我们的地球已经有45亿年的历史。 2017年，天文学家利用欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜上的SPHERE仪器发现了这颗行星，并利用短红外波长的光对其进行了拍摄。韦伯在更长红外波长下的观察，揭示了地面望远镜由于地球大气层固有的红外辉光而无法探测到的新细节。 研究人员一直在分析来自这些观察的数据，并正在准备一篇论文，提交给期刊进行同行评议。但韦伯首次捕捉到的系外行星已经暗示了未来研究遥远世界的可能性。 由于HIP 65426 b离其主星的距离是地球离太阳的距离的100倍，它与恒星之间的距离足以让韦伯轻易地将行星与图像中的恒星分开。 韦伯的近红外相机（NIRCam）和中红外仪器（MIRI）都配备了日冕仪，这是一组遮住星光的微型面罩，使韦伯能够直接拍摄某些系外行星的图像，比如这颗系外行星。NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜计划在本十年晚些时候发射，将展示一个更先进的日冕仪。 辛克利说:“韦伯日冕仪能够很好地抑制主恒星的光线，这真是令人印象深刻。” 直接拍摄系外行星的图像很有挑战性，因为恒星比行星亮得多。HIP 65426 b行星在近红外波段比它的主星暗10,000多倍，在中红外波段比主星暗数千倍。 在每张滤镜图像中，这颗行星看起来是一个形状略有不同的光点。这是因为韦伯光学系统的特殊性，以及它通过不同的光学系统来转换光线。 “获得这张照片感觉就像在挖掘太空宝藏。”负责图像分析的加州大学圣克鲁兹分校博士后研究员阿伦·卡特说。 “起一开始，我只能看到恒星发出的光，但经过仔细的图像处理，我能够去除这些光，发现这颗行星。” 虽然这不是第一张从太空拍摄的系外行星直接图像——哈勃太空望远镜之前已经捕获了直接的系外行星图像——但HIP 65426 b韦伯探索系外行星指明了方向。 “我认为最令人兴奋的是，我们才刚刚开始，”卡特说。“未来将会有更多的系外行星图像，这些图像将塑造我们对它们的物理、化学和形成的整体理解。我们甚至还可能发现以前未知的行星。” 参考来源： https://blogs.nasa.gov/webb/2022/09/01/nasas-webb-takes-its-first-ever-direct-image-of-distant-world/

韦伯的NIRCam从三个滤镜——F360M（红色）、F212N（黄绿色）和F150W2（青色）拍摄的木星合成图像，并校准了经因行星自转而形成的误差。 影像来源：NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team; image processing by Judy Schmidt. 伴随着巨大的风暴、强风、极光以及极端的温度和压力条件，木星发生了很多事情。现在，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到了这颗行星的新图像。韦伯对木星的观测将为科学家提供更多关于木星内部生命的线索。 “说实话，我们真的没想到它会这么好。”加州大学伯克利分校名誉教授、行星天文学家伊姆克·德·佩特说。德帕特尔与巴黎天文台教授蒂埃里·福切特一起领导了对木星的观测，这是韦伯早期发布科学计划国际合作的一部分。韦伯本身是一项由NASA及其合作伙伴ESA（欧洲航天局）和CSA（加拿大航天局）领导的国际任务。“我们可以在一张图像中看到木星及木星环、微小卫星甚至星系的细节，这真是太不可思议了。”她说。 这两幅图像来自天文台的近红外相机（NIRCam），该相机有三个专门的红外滤光片，展示了行星的细节。由于红外光对人眼不可见，因此该光被映射到可见光谱上。通常，最长波长显示为红色，最短波长显示为蓝色。科学家与公民科学家朱迪·施密特合作，将韦伯的数据转换成图像。 在由韦伯拍摄的多幅图像合成而成的木星独立视图中，极光延伸到木星南北两极上方的高海拔地区。极光在滤镜中发出的光芒被映射为较红的颜色，这也会突出了从低层云层和高层雾霾反射的光。映射到黄色和绿色的不同滤镜显示了在北极和南极周围旋转的雾霾。第三个滤镜映射到蓝色，显示从更深的主云反射的光。 大红斑是一场大到可以吞噬地球的著名风暴，在这张视图中，它和其他云一样呈白色，因为它们反射了大量的阳光。 “这里的亮度表明高度很高——因此，大红斑和赤道地区都有高空雾霾。”韦伯太阳系观测跨学科科学家、AURA科学副总裁海蒂·哈梅尔说 。“无数明亮的白色‘斑点’和‘条纹’很可能是高空凝聚对流风暴的云顶。”相比之下，赤道地区以北的暗带几乎没有云层覆盖。 来自木星系统的两个滤镜F212N（橙色）和F335M（青色）的韦伯NIRCam合成图像，上图为未注释图像；下图为添加了注释的图像。 影像来源：NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team; image processing by Ricardo Hueso (UPV/EHU) and Judy Schmidt. 在广角视野中，韦伯看到了木星及其微弱的光环，比这颗行星弱一百万倍，还有两颗小卫星，称为Amalthea（木卫五）和Adrastea（木卫十五）。下部背景中的模糊斑点可能是这张木星照片中的星系“光爆炸”。 “这张图片总结了我们木星系统计划的科学性，该计划研究了木星本身、它的环和它的卫星系统的动力学和化学。”加福丘特说。研究人员已经开始分析韦伯数据，以获得关于我们太阳系最大行星的新科学结果。 来自像韦伯这样的望远镜的数据并没有被整齐地打包好送到地球上。相反，它包含有关韦伯探测器上光亮度的信息。这些信息作为原始数据到达韦伯的任务和科学运营中心太空望远镜科学研究所 (STScI)。 STScI 将数据处理成经过校准的文件以进行科学分析，并将其传送到米库尔斯基太空望远镜档案馆，用于传播。然后，科学家们在他们的研究过程中将这些信息转化为这样的图像（这里有一个关于这个的播客）。虽然STScI的团队正式处理了韦伯图像以供正式发布，但被称为公民科学家的非专业天文学家也经常深入公共数据档案来检索和处理图像。 加州莫德斯托的朱迪·施密特是公民科学界的资深图像处理员，她处理了这些关于木星的新图像。为了拍摄包含这些微型卫星的图像，她与里卡多·休索合作，后者是这些观测的共同研究员，在西班牙巴斯克地区大学研究行星大气。 来自加州莫德斯托的公民科学家朱迪·施密特正在处理来自哈勃太空望远镜等NASA航天器的天文图像。右图是明科夫斯基的作品《蝴蝶》，这是蛇夫座方向的一个行星状星云。 施密特没有正规的天文学教育背景。但10年前，ESA的一场比赛激发了她对图像处理的无限热情。“哈勃隐藏的宝藏”竞赛邀请公众在哈勃数据中发现新的珍宝。在近3,000张参赛作品中，施密特凭借一张新生恒星的照片获得了第三名。 自ESA竞赛以来，她一直将研究哈勃望远镜和其他望远镜数据作为业余爱好。“有些东西一直缠着我，我停不下来。”她说。“我可以每天花上好几个小时。” 她对天文学图像的热爱使她能够处理星云、球状星团、恒星形成区和更壮观的宇宙物体的图像。她的指导理念是：“我尽量让它看起来很自然，即使它与你的肉眼所见并不相近。”这些图像引起了包括哈默尔在内的专业科学家的注意，哈默尔此前曾与施密特合作改进哈勃彗星苏梅克-列维9号木星撞击的图像。 施密特说，木星实际上比更遥远的宇宙奇观更难处理，因为它的旋转速度非常快。当木星的独特特征在拍摄图像期间发生旋转，并且不再对齐，将一堆图像组合到一个视图中可能具有挑战性。有时她必须以数字方式进行调整，以合理的方式堆叠图像。 韦伯将对宇宙历史的每个阶段进行观测，但如果施密特必须选择一件令人兴奋的事情，那就是韦伯对恒星形成区的更多看法。她特别着迷于在被称为赫比格-哈罗天体的小星云块中产生强大喷流的年轻恒星。“我真的很期待看到这些奇怪而奇妙的新生恒星在星云中吹出空洞。”她说。 参考来源： https://blogs.nasa.gov/webb/2022/08/22/webbs-jupiter-images-showcase-auroras-hazes/