韦伯太空望远镜运作满周年，它看到了什么？

古老星系中发现有机分子?我们离第三类接触还有多远?

韦伯正式展开拍摄任务已经届满周年，最近也传回来许多过去难以拍摄到的照片。六月初，天文学家在《自然》期刊上发表了这张照片，在蓝色核心外，环绕着一圈橘黄色的光环。

这是一个星系规模的甜甜圈?这是一个传送门?还是外星文明的戴森环?

——都不是!其实，这是一个含有有机物多环芳香烃的古老星系，其名为 SPT0418-47。因为名字很长，以下我们就简称为 SPT0418 吧!

这个观测结果有什么特殊意义?这代表我们发现外星生命了吗?

SPT0418 是怎么被拍到的?扭曲时空的重力透镜!

一年前，在韦伯望远镜传回第一组令人震撼的照片时，我们制作了两期节目来介绍韦伯望远镜，和它在天文观测史上跨时代的重要意义。在那之后，也有不少泛团敲碗，希望我们可以再继续介绍韦伯望远镜的后续发展。

这次在周年前夕公开的这张 SPT0418 照片，是一张标标准准因为重力透镜而形成的美丽照片。“重力透镜 Gravitational Lensing”这个概念，相信有在关注天文物理的泛团们，应该都有听过。爱因斯坦的广义相对论告诉我们，星系与星系团的庞大质量会扭曲它们周围的时空，就像一面星系尺度的超级放大镜一样，可以在光线通过时改变它们的走向，从而扭曲背景星系的影像。而如果背景星系与前方的前景星系刚好前后对齐的话，重力透镜效应还能将背景星系扭曲成美丽的环型，这个环型被称为“爱因斯坦环 Einstein Ring”。

背景星系从黑洞后面经过时的重力透镜效应模拟影像。图/Wikimedia

乍听之下，重力透镜会扭曲背景星系影像，好像会干扰观察，是个缺点。但实际上重力透镜在扭曲影像的同时，也会聚焦背景星系发出的光，从而让背景星系变得更加明亮而容易观测，让天文学家可以看到更远或更暗的天体。因此虽然扭曲的影像会增加分析上的麻烦，但天文学家其实非常喜欢观测这些受重力透镜效应影响的天体们。甚至会专门安排观测计划，拍摄这些受重力透镜效应影响的区域。这次的主角 SPT0418，正是韦伯太空望远镜针对重力透镜效应开展的“TEMPLATES ”观测计划的其中一个观察对象。

SPT0418 是一个位于时钟座（Horologium）方向，距离地球约 123 亿光年远的古老星系。最早在南极望远镜（SPT）的观测资料中被发现，并在后续以阿塔卡玛大型毫米及次毫米波阵列 ALMA 进行的观测中，确认了它是一个富含大量尘埃，而且正在以每年约 350 个太阳质量的超高速率生成恒星的星系。

在我们与 SPT0418 之间，还存在着一个前景星系。正是这个前景星系的质量扭曲了周围的时空，像一片巨大的放大镜一样将背后的 SPT0418 扭成了漂亮的爱因斯坦环。

当观察者、前景星系和背景星系在同一直线上时，就可以透过重力透镜效应观测到爱因斯坦环。图/PanSci YouTube

在这张经过调色的照片中，中间的蓝色部分就是前景星系，旁边的橘色环则是因为重力透镜而扭曲的 SPT0418 。得益于这个重力透镜，SPT0418 的影像被增亮了三十倍以上，非常适合让天文学家一窥早期宇宙中星系的状态，因此被选为韦伯的观测目标。

韦伯望远镜藉由重力透镜效应拍摄到的扭曲的古老星系 SPT0418-47。图/J. Spilker/S. Doyle, NASA, ESA, CSA

那么，这次的观测又有什么重要意义呢?

多环芳香烃是什么?看见它代表什么意义?

这次的拍摄结果不能完全说是意外，因为在这个研究中，韦伯的目标非常明确，就是要寻找古老星系中的多环芳香烃。

在天文学上，多环芳香烃通常指两个以上的苯环所组成的有机化合物的统称，人们一般以它的简称“PAH”来称呼它。

发现有机分子，难道这代表有生命存在于古老星系中吗?其实不能这么快下定论。

因为 PAH 广泛存在于各式各样的星系中，与其他由碳和硅组成的尘埃颗粒，同属于星际尘埃的一部分。甚至在彗星、小行星、陨石中，都能发现各式各样的 PAH。目前认为，宇宙中可能有超过 20% 的碳原子，都是以 PAH 的方式存在，只是环数不尽相同。

图中右侧的黑色暗带为星际尘埃。图/NASA, ESA, and the LEGUS team

所以，虽然科学家认为，宇宙中的生命诞生，可能与这些这些遍布其中的有机分子有关。但发现 PAH，不能直接与发现生命划上等号。

过去数十年的天文观测结果也显示，PAH 确实广泛存在于星系之中，但是天文学家对于这些分子究竟如何形成?又是什么时候形成的?目前还没有共识。因此迫切需要更多观测，例如这次的目标 SPT0418 是个距离我们非常遥远的古老星系，对于研究宇宙早期星系以及 PAH 的起源就很有帮助。

观察 PAH 的困难及韦伯望远镜的重大突破

然而，要观察 PAH 却不太容易。原因是这些 PAH 发出的光，波长主要都集中在几微米到十几微米的近红外与中红外线波段。这个波段的光线受到大气层的吸收非常严重，几乎无法从地面观测，因此过去我们很难取得相关数据。想要寻找 PAH 的踪迹，势必得使用红外线太空望远镜才行。

这时，就是韦伯大展身手的时候了。比起同样专注于红外光谱的前辈史匹哲太空望远镜，韦伯的镜片直径大了超过七倍，集光面积更是大了将近六十倍，这不仅让韦伯能够拍摄远比史匹哲更清晰的影像，更可以在更短的时间内拍摄到更暗的目标。

得益于韦伯强大的观测能力，在这个研究中它仅仅对着 SPT0418 曝光了不到一个小时的时间，就在 3.3 微米的波段找到了清晰的 PAH 发射谱线，确认了PAH的存在的同时，也打破了观测到最远的 PAH 讯号的纪录。

此外天文学家也发现，韦伯所拍摄到的 SPT0418 与前几年使用 ALMA 观测到的影像并不全然相同。

由于观测波段不同，不同的望远镜拍摄同一天体的亮部分布会产生差异。图/PanSci Youtube

由于韦伯拍摄的是 PAH 发出的近红外光，而 ALMA 拍摄到的则是毫米尺寸的大颗粒尘埃所发出的远红外线，因此这可能代表 SPT0418 这个星系的不同部分，有着不同的尘埃组成。为甚么会这样呢?天文学家目前也没有肯定的答案，需要更多的观测来进一步理清。

任务还在继续!TEMPLATES 计划持续追踪 PAH 足迹

韦伯对 SPT0418 拍摄的照片，不仅打破了人类探测过离太阳系最远的 PAH 讯号纪录，更展示了在重力透镜加韦伯的携手合作下，能大幅拓展人类观测遥远星系的能力。除了 SPT0418 之外，天文学家还预计观测另外三个被重力透镜放大的星系，寻找并研究其中 PAH 的足迹，以解开星系与星际尘埃的演化之谜。

韦伯望远镜的“TEMPLATES ”计划预计观测四个被重力透镜效应放大的天体。图/JWST ERS Program TEMPLATES

虽然还有许多未解之谜，但韦伯传回来的每张相片，都能让我们能更了解这个宇宙一点点。最后想问问大家，韦伯望远镜正式展开拍摄工作届满一年，你最喜欢，或最希望我们继续来讲解的照片是哪一张呢?

1、土星、天王星和海王星的行星环高清照

2、大爆炸后 3.2 亿年就诞生的的古老星系

3、即将蜕变为超新星的恒星照

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