韦布空间望远镜早期观测数据集简介

文 | 王培培 谢正通 林敏仪 曹子皇

引言

韦布空间望远镜（The James Webb Space Telescope, JWST，以下简称韦布）是美国航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航空航天局（CSA）联合研发的红外线观测用太空望远镜，它质量为6.2吨，约为哈勃空间望远镜（11吨）的一半。它的主反射镜口径达到6.5米，面积为哈勃空间望远镜的5倍以上。

当地时间7月12日，美国国家航空航天局正式发布了韦布拍摄的高分辨率全彩色照片。这批数据被称作早期观测数据集（The JWST Early Release Observations, EROs），它是一套面向公共宣传的产品，俗称 "韦布第一张图像和光谱"，包括SMACS J0723.3-7327大质量星系团和遥远的透镜星系、相互作用的Stephan's Quintet星系群、Carina恒星形成区群中的NGC 3324、南环行星状星云NGC 3132和凌星热木星WASP 96b的图像和光谱。

ERO是为了证明韦布空间望远镜已经准备好进行科学观测，并且能够产出令人瞩目的成果。这一做法借鉴了钱德拉和斯皮策等太空望远镜的经验，在成功完成发射和交付使用之后，韦布产出了早期的观测数据（ERO）。ERO观测目标的选择由位于NASA总部的韦布项目组负责征集，最终选择的这些目标的评估主要基于哈勃和斯皮策等空间望远镜现有的观测数据，对其红外特性、技术可行性，与韦布重点课题的相关性进行综合评估后得到的，它们覆盖了韦布所有重要科学主题和重要科学仪器。

值得注意的是，与前几代红外望远镜相比，韦布空间望远镜在灵敏度和分辨率上都有巨大的提升，所以即使是这些早期数据也可以用于科学分析。这些数据预示着韦布最有可能在宇宙早期星系、相互作用的星系、恒星的诞生和死亡，以及系外行星等天体物理领域的研究中做出变革性贡献。

韦布四个科学仪器简介

ERO观测过程中用到了韦布的四个科学仪器（近红外照相机-NIRCam、近红外光谱仪-NIRSpec、中红外观测设备-MIRI、近红外成像仪和无狭缝光谱仪-NIRISS），它们能够在红外线范围内探测宇宙（也能观测到可见光的红端）。每种仪器都有独特的特点，使天文学家能够以不同的方式研究各种天文物体：

NIRCam是韦布的主要近红外成像仪，为各种研究提供高分辨率成像和光谱。由于NIRCam是唯一具有日冕和时间序列成像能力的近红外仪器，它对许多系外行星研究至关重要。除了成像和光谱学，NIRCam也是韦布波前传感和控制系统的一部分，该系统检测并纠正主镜形状中的轻微不规则或镜段之间的错位，使望远镜能够清晰地聚焦在远近物体上。NIRCam由亚利桑那大学和洛克希德·马丁先进技术中心的一个团队制造。

NIRSpec是韦布的近红外光谱通用工具之一。除了收集特定物体光谱的标准单缝光谱外，NIRSpec还拥有一个积分场单元来研究光谱的空间变化，以及一个微型快门阵列来同时捕获几十个物体的单独光谱。这种高效的设计使韦布空间望远镜成为研究极远、微弱星系的理想之选。NIRSpec是由空客工业公司为欧洲航天局建造的，由NASA制造的微型快门阵列（MSA）和探测器子系统。

MIRI提供中红外成像和光谱功能。作为唯一的中红外仪器，天文学家依靠MIRI来研究较冷的物体，如碎片盘，它们发出的大部分光都是中红外的，以及极远的星系，它们的光随着时间推移已经转移到中红外。MIRI是由欧洲联盟（EC）和喷气推进实验室（JPL）合作开发的。

NIRISS提供近红外成像和光谱功能。作为唯一能够进行孔径掩模干涉测量的仪器，NIRISS具有以比其他成像仪更高的分辨率捕获明亮物体图像的独特能力。NIRISS是加拿大航天局的贡献。霍尼韦尔国际公司与蒙特利尔大学的一个团队合作设计并制造了该仪器。加拿大赫茨伯格天文和天体物理研究中心国家研究委员会提供了额外的技术支持。

韦布空间望远镜

早期观测数据集简介

韦布空间望远镜早期数据集的观测是作为韦布试观测计划的一部分来规划和执行的。最后发布的观测计划包括PID 2731、2732、2733、2734和2736（PI：Pontoppidan）。这些数据可在在米库斯基空间望远镜数据库（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST）或者通过DOI号10.17909/kjms-sq75获得，还可以在韦布的官方网站webbtelescope.org下载。

除了WASP96b/PID2734只使用了NIRSS/SOSS，每个天区都使用了韦布的二至四个科学仪器，表1至4列出了每个天区观测中这些仪器的使用情况，包括仪器名称、运行模式、波段范围、曝光时间以及观测时间。根据表1-4列出的观测所使用的仪器的相关信息，读者可以大概知道每个天区都能得到哪些类型的观测数据。以下我们分别介绍这五个PID所对应五个天区的数据内容，简要介绍MACS J0723.3-7327/PID2736的观测方式。图1至图4展示了四个天区（ MACS J0723.3-7327/PID2736、斯蒂芬五重星系/PID2732、NGC 3324/PID2731和NGC 3132/PID2733）的图像样例，更多数据可以通过上文提到的三种方式进行下载。

MACS J0723.3-7327/PID2736

图1：NIRCam和MIRI所覆盖的SMACS J0723.3-7327的视场。

SMACS J0723.3-7327（图1）是一个大质量星系团（z=0.388），作为一个强引力透镜放大了遥远的高红移的背景星系。这个星系团是作为大质量星团巡天（MACS：Ebeling等人，2001年）南天延伸观测的一部分而被首次被发现，由Repp & Ebeling（2018年）对其特性进行了描述。随后在哈勃观测计划11103、12166和12884中被观测（PI：Ebeling），后来又作为再电离透镜星系团巡天（The Reionization Lensing Cluster Survery, RELICS）的一部分进行观测（Coe 等人，2019年）。它被选入ERO，是因为它有一个明亮的中央椭圆星系，有显著的由于引力透镜造成的光弧，处于低的黄道光背景的高黄纬（-80.2°）区域。因此，具有较强的观赏性。

SMACS J0723.3-7327的观测过程中使用了韦布的四个科学仪器，NIRCam、MIRI、NIRSpe和NIRISS，表1列出了四个科学仪器运行的一些具体信息。

近红外相机（NIRCam）是韦布的近红外成像终端，其红外工作波长范围为0.6至5微米，使用6个宽带NIRCam滤光片获得图像，中心波长覆盖从F090W到F444W。韦布对点源的观测深度达到约AB~29.8等（本文均为观测星等，星等越大星越暗），目的是为了与哈勃WFC3/IR相机超深场的深度匹配，超过斯皮策IRAC 1+2通道成像仪在类似天区的观测极限10倍。中红外观测设备（Mid-Infrared Instrument，MIRI）由相机和光谱仪组成，覆盖的波长范围为5至28微米，极限星等在F770W达到26.3等，在F1000W达到25.1等，在F1500W达到24等，在F1800W达到23等。NIRSpec是一种光谱仪，使用中分辨率光谱获得更细致的目标星系的信息，并具有更宽的光谱覆盖范围（波长为0.6至5微米），刚好超过红色可见光的波长。光谱仪最多可同时观测200个天体，可以大大提升研究人员的观测效率，收集到大量的光谱数据。NIRISS可以收集系外行星大气的光谱，分析天体的光谱可以揭示天体物理条件的丰富信息。

Table 1. Observation parameters for SMACS J0723.3-7327 / PID 2736

斯蒂芬五重星系/PID2732

它是一个著名的希克森致密星系群（Hickson Compact Group，HCG），包括至少4个独立的大星系，平均距离为88.6百万秒差距。星系群中的NGC7319处于合并过程中，拥有一个明亮的活动星系核（Active galactic nucleus，AGN），并具有射电喷流。其中一个星系NGC7320尽管图上看起来和星系群中的其他星系相邻，但该星系实际并不属于该群，而是距离更近的前景星系，并没有与该星系群中的任何星系发生相互作用（图2）。在中红外波段，Stephan's Quintet的特点是在NGC 7318和NGC 7319星系之间的界面上有一个大尺度的激波，具有强和宽的发射线（Cluver等人，2010），同时发射很强的X射线（O'Sullivan等人，2009）。ERO的目标是为了展示在遥远的背景星系中，紧凑星系群内强烈的相互作用，以及NGC 7319中活跃的AGN。在观测过程中使用了NIRCam、MIRI和NIRSpec，表2列出了三个科学仪器运行的一些具体信息。

Table 2. Observation parameters for Stephan’s Quintet / PID 2732

图2：由NIRCam和MIRI拍摄的斯蒂芬五重星系。

NGC 3324/PID2731

ERO发布的图像展示了NGC 3324东部边缘有一个明显的电离泡，其由船底座东北部的年轻形成区中的年轻热星形成。NGC 3324位于离我们大约2.2千秒差距（Kpc）的地方。这幅被命名为《宇宙悬崖》的图像，捕捉到了电离泡光致离解区域的壮丽景象，并显示了电离气体和分子气体之间的巨大差异（图3），同时该区域在观测时正好也与NIRCam观测的可用孔径位置角相对齐。指向稍向东偏移就可拍摄更多的分子云，预计这些分子云在红外波段可以展现出非常详细的结构。NGC 3324星场南部有一个明显的恒星星柱，内部有大量的恒星形成，且星场内具有多个以前观测到的原恒星喷流。这个区域观测时用了NIRCam和MIRI两个科学仪器，表3列出了两种科学仪器运行的一些具体信息。

图3：NIRCam和MIRI所拍摄的船底座（NGC 3324）

NGC 3132/PID2733

为了更好地展示韦布空间望远镜对于恒星整个生命周期的观测能力，NIRCam和MIRI对年轻的行星状星云NGC 3132（"南环"）进行了成像（图4）。NGC 3132距离我们约760秒差距（pc），其内部包含一组由主序A型星和年轻白矮星构成的视双星，这颗白矮星是星云的起源同时也是电离源。在近红外波段中，NGC 3132星云的特征是氢复合谱线、高度电离的原子谱线（[Ar III]、[S IV]、[Ne II]和[S III]）以及分子的转振和转动谱线。该星云的内在形态可能是双极的，但看起来接近极向天体。这个区域观测时用了NIRCam和MIRI两个科学仪器，表4列出了两种科学仪器运行的一些具体信息。

Table 3. Observation parameters for NGC 3324 / PID 2731 (Carina)

图4：由NIRCam和MIRI拍摄的南环星云（NGC 3132）。

Table 4. Observation parameters for NGC 3132 / PID 2733 (Southern Ring Nebula)

WASP96b/PID2734

我们用韦布上的NIRISS/SOSS仪器对宿主为WASP-96的系外行星WASP-96b的凌星事件进行观测，目的是为了获得该行星的透射光谱，特别是针对哈勃空间望远镜在波长为1.4微米处观测到的已知水的特征（Yip等人2021年；Nikolov等人2022年）。观测于2022年6月21日 UT 04:06开始，于UT 10:30结束，包括280个积分，每个积分有14组曝光。每次积分的组数选择基于以下考虑：每次积分的最大计数保守的设定为仪器饱和值的50%左右；使用PandExo（Batalha等人，2017）工具进行优化。为了规划凌星事件的观测，我们使用Patel & Espinoza (2022)发布的周期和凌星时间，并使用ExoCTK工具来定义捕捉事件的最佳位置角和相位约束，然后将其纳入APT（Bourque等人，2021）。

小结

本文只是对韦布空间望远镜的早期观测数据集做了粗略的介绍，我们推荐有兴趣的读者阅读《The JWST Early Release Observations》(点击”阅读原文”即可)以了解更多的细节。希望我们的文章有助于读者了解韦布数据的基本情况，从而能更好地使用更多其展开探索。

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