環(huán)球今日訊！這張照片憑什么值一百億？

其實，這張照片描繪的是一個叫做SMACS 0723.3-7327的星系團，距離我們69億光年。這張照片里充滿了有趣的細節(jié)，算得上是一件具有里程碑意義的重要藝術(shù)品。

如果我們拿出欣賞《清明上河圖》這件不朽名作的勁頭，來仔細欣賞一下這張發(fā)布于小暑節(jié)氣之后的“小暑上天圖”，也能看到有趣的細節(jié)，并且沉浸其中。

(資料圖)

01

“淺淺的弧線”

我們先從一些不太起眼的地方看起，“小暑上天圖”有很多絢爛多彩的高亮區(qū)域，但在相對黯淡的地方也有精彩的細節(jié)。

在圖1中，你能看到一些淺淺的弧線。它們雖然“黯淡”，但和照片中最驚人的巨大引力光弧一樣，都是星系團產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)的杰作。

圖1

你或許聽說過，根據(jù)廣義相對論，引力能彎曲光線。在“小暑上天圖”的中間部分，正是SMACS 0723.3-7327星系團的中心區(qū)域。星系團巨大質(zhì)量帶來的顯著引力效應(yīng)使部分途徑此地并且射向我們的電磁波偏轉(zhuǎn)，造就了這些淺淺的弧線。

能讓光線彎曲的驚人引力效應(yīng)其實并不主要由你在照片中看到的明亮星系引起。實際上，星系團身處于被天文學家稱為“暗物質(zhì)暈”的巨大不可見物質(zhì)聚集中，其尺度比整張照片還要大得多。描繪這些暗物質(zhì)的分布也是天文學家的重要使命之一。

在天文學家看來，那一條條彎曲的弧線，就好像是池塘中緩慢游動的錦鯉，而暗物質(zhì)便是池水。我們無法看到清澈見底的池水，但我們知道，池水就在錦鯉與錦鯉之間——每多一條錦鯉，天文學家對暗黑宇宙的理解，就可以多增加一分。

02

“被‘扭曲’的星系”

圖2中的彎曲結(jié)構(gòu)，是“小暑上天圖”里最引人注意的東西了。

前面提到的暗物質(zhì)的引力透鏡效應(yīng)能將背景星系塑造成各種獨特的造型。圖2左面這個被扭曲的旋渦星系，看起來就很像是達利名作《融化的時鐘》里的那臺扭曲的鐘。

圖2

不過，更有意思的是其中的科學細節(jié)。圖2中兩個用橙色標注出來的扭曲的星系，仿佛在盡力避免碰到身旁白色的星系。這個看起來很“扭曲”的姿態(tài)，也跟暗物質(zhì)有關(guān)。

那些白色的星系周圍，也存在著主宰者它們各自命運的“子暗物質(zhì)暈”（Sub-Halo）。這些比星系團暗物質(zhì)暈小的結(jié)構(gòu)，迫使橙色星系發(fā)出的光線“繞著走”，形成了扭曲的樣貌。這樣的結(jié)構(gòu)讓天文學家看到了星系團暗物質(zhì)暈內(nèi)的“團塊”。而觀察尺度的逐漸縮小，也能幫我們一點點逼近“暗物質(zhì)是什么”這個問題的答案。

03

“珍珠般的亮點”

圖3的區(qū)域很小，但是如果放大了看，能看到星系周圍散落著一些珍珠般的小亮點。這些珍珠其實是在宇宙更早期的星系中誕生的一系列年輕的星團。

圖3

此前，天文學家并沒有很好的條件直接觀測到這些“珍珠”，而現(xiàn)在他們也可以細致研究遙遠星系中恒星的孕育了。

此外，和前面的“錦鯉”類似，每顆“珍珠”都提供了繪制暗物質(zhì)地圖的額外路標。它們的精確位置可以告訴天文學家在比單個星系更小的尺度上暗物質(zhì)的分布如何？有沒有更細致的結(jié)構(gòu)？這些問題都是困擾了天文學家很久的。

04

“對稱星系”

如果你能放大圖4的區(qū)域，并且仔細觀察，有可能會注意到，這個星系好像是左右對稱的。

圖4

我在放大的圖像上，用虛線標注出了對稱軸。你看，在這條對稱軸的兩側(cè)，箭頭指出的亮點是不是完全對稱的？

這樣的對稱圖形并不是這個星系的本來面目。實際上，因為它剛好處于“引力透鏡”質(zhì)量分布的一個特定位置上才形成了特殊的“折疊光弧”。

05

“朱砂點”

圖5的兩個區(qū)域，各有一點鮮紅色的小圓點，就像是一點朱砂一樣漂亮。需要再提醒你一下的是，這張照片拍攝的波段，并不在可見光范圍內(nèi)，圖中所有的顏色，都是制作人員后期著色的結(jié)果。

圖5

不過，所填充的顏色依然保有物理學上的意義。這兩個“朱砂點”是很多天文學家朝思暮想的目標：鮮艷的大紅色意味著它們的輻射全部集中在波長最長的紅外波段，恰是宇宙極早期星系的典型觀測特征。

它們誕生于只有1億-2億年的“嬰兒宇宙”中，離地球極其遙遠，所以它們的光芒也是無比的黯淡——只有借助星系團這樣的宇宙放大鏡才能看到。

06

“橢圓星系”

現(xiàn)在，讓我們再一起看一下這張照片的中心。圖6是整張圖片里最顯眼的星系：端坐在星系團中央的橢圓星系。它們是宇宙中質(zhì)量最大的罕見星系，可達到一萬億倍太陽質(zhì)量。

圖6

在它們奶油般的溫柔色彩和平靜的外表下，是100多億年以來各星系之間無休止的弱肉強食。頻繁、反復的星系并合才最終堆砌出了這個龐然大物。

再細心一點，也許你還會注意到星系絲滑光芒下那些若隱若現(xiàn)的黯淡星點。它們其實是一個個球狀星團，是遠古獨特環(huán)境下才能形成的恒星系統(tǒng)，是曾經(jīng)狂暴恒星形成活動的見證。今天，星系中的恒星形成活動已經(jīng)完全熄滅了，只剩這遍地的球狀星團還在訴說著當年的輝煌。

其實，在JWST這張看起來非?！皝y”的“小暑上天圖”里，天文學家至少可以找到1萬個圖6中看到的星團。宇宙誕生過程中，盛大的而熱烈的情境可見一斑。

07

“漂浮的水母”

圖7看起來就像一只水母在黑暗的宇宙空間漂浮。右下角的星系像是水母的頭部，而左上角彌散的絮狀結(jié)構(gòu)很像是水母的觸手。

圖7

乍一看優(yōu)雅、美好的“水母”，實際上反映了星系團極其殘忍的一面：高溫等離子體把星系中的氣體逐漸剝離掉，飄散的氣體最終形成了一條一條的結(jié)構(gòu)，看起來如同水母的觸手。這個過程叫做“沖壓剝離”。

它的效果，你自己也可以演示：想象一下，當你張開一疊報紙在無風的體育館里奔跑，迎面而來的氣流把這一疊報紙一張張撕開，又拋掉。這是因為跑步的速度讓空氣分子對報紙產(chǎn)生了足以克服重量與摩擦力的壓力。在星系團中，類似的過程不斷上演著。

08

“漩渦星系”

在這張“小暑上天圖”里，有太多奇妙的東西了。這么一來，那些“正?！钡男窍?，反而顯不出什么特點來，很容易被人忽略了。

但當你注視著它們，一定會發(fā)現(xiàn)每個星系都有其獨特的性格，一如《清明上河圖》中眾多形象鮮明的人物。這其中，數(shù)量最多的便是圖8中不同類型的旋渦星系。

圖8

它們的旋臂或舒展大方、或張揚肆意、或因緊張而扭曲，刻畫出了星系生態(tài)系統(tǒng)的旺盛生機。作為一名天文學家，看到旋渦星系，我總會感到非常親切，因為我們所處的宇宙島便是這樣一個看起來普普通通的旋渦星系。

09

“模糊的‘影子’”

比圖8的旋渦星系更不起眼的，是圖9中那些模糊的“影子”。

圖9

這些影子被稱為“低面亮度星系”。它們之所以會如此黯淡，是因為內(nèi)部的恒星分布非常稀疏。想要觀察到它們非常困難——即便是利用JWST這樣的，有史以來最強大的空間望遠鏡，觀察它們依然非常困難。

不過，近年來天文學家意識到，這些家伙是星系團中必不可少的。它們獨特樣貌很可能源自孕育它們的暗物質(zhì)暈的特殊性質(zhì)或某些特殊的物理過程。現(xiàn)在，天文學家們對這些影子所知甚少，但其中一定蘊藏著巨大的科學潛力。

實際上，圖像的低面亮度區(qū)域中還有許多我們不了解的天體。比如圖9最右側(cè)那個“張牙舞爪”的結(jié)構(gòu)讓很多有經(jīng)驗的天文學家都犯了難。

這是一個被引力透鏡扭曲的極其延展的星系嗎？還是一個正在瓦解中的星系的殘??？目前沒人知道為什么，而且隨著觀測的深入，類似的謎題還會越來越多。

10

“星系團際光”

圖10在“小暑上天圖”的原圖中，是最大的一個低面亮度結(jié)構(gòu)?？梢哉f是其中最不顯眼的區(qū)域。不過，當我們搬出美圖工具，使勁調(diào)高對比度之后，就可以在星系的兩端看到兩團模糊的光亮了。

圖10

不用懷疑你的眼睛，這是真實的“星系團際光”，是星系團建造歷史的見證。每當有星系落入星系團，在被瓦解、吞噬的過程中，會有部分恒星被剝離出來，游蕩在星系間。

歷經(jīng)了無數(shù)并合后，這些“孤魂野鬼”也能積累起足夠的質(zhì)量。 模糊的“團際光”象征了明暗世界的邊界。它們既是研究星系團組裝歷史的重要線索，也是天文學家們描繪暗物質(zhì)分布的路標。

在這張“小暑上天圖”中，天文學家可以識別出上萬個天體。而上面的10處細節(jié)，僅僅是這張圖片所訴說的宏大宇宙史詩中的只言片語。但相信你已經(jīng)可以感受到這架人類歷史上最強大空間望遠鏡的巨大潛力。

作為一位面向公眾的“藝術(shù)家”，JWST的第一幅作品“小暑上天圖”便已經(jīng)如此驚艷，未來更加成熟的創(chuàng)作又會有多驚艷呢？我們一起拭目以待吧。