这张图片以三种不同的视角显示了同一个天文天体环状星云：哈勃（左）、JWST 的 NIRCam 仪器（中）和 JWST 的 MIRI 仪器（右）。在较长的波长下，可见光中看不到的特征会壮观地出现，而 JWST 的灵敏度足以首次揭示其中的许多特征。
自 2022 年 7 月詹姆斯韦伯太空望远镜 （JWST） 开始科学操作以来，还不到两年。那时，我们已经发现了大量关于宇宙的信息，还有大量我们仍然面临但看不到明显解决方案的宇宙谜题。我们知道我们的宇宙是：
138 亿年，
始于通货膨胀期之后的热爆炸，
被神秘的暗能量和暗物质所支配，其性质未知，
随着「哈勃张力」这个大问题笼罩着我们对膨胀率的测量，
超质量黑洞在很早的时候就被发现质量非常大的地方，
即使是探测到的最早的星系也是巨大的、有点进化的和明亮的。
我们对宇宙的描述包括星系、恒星和化学演化，从原始的早期状态到反映我们在附近观察到的晚期状态。它包括一段历史，超过两颗六分之一的恒星，被锁在数万亿个星系中，分布在一个直径跨度为 920 亿光年的可观测宇宙中。但许多大问题仍然存在。什么是暗物质和暗能量？我们的宇宙实际上膨胀的速度有多快？第一批恒星和星系是什么时候形成的？超大质量黑洞是如何产生的？像太阳这样的恒星和像地球这样的行星又是如何形成的呢？
现在我们已经完成了 JWST 的科学任务两年多，以下是发生了变化的地方，这里没有改变的地方，以及我们在 JWST 的发现之后提出的新问题。
我们必须确切地记住 JWST 是什么，因为尽管它很了不起，但即使拥有新发现的力量，它也无法回答我们所有的宇宙问题。当然，JWST 是一个大型冷天文台，具有高分辨率能力，经过优化，可以观察长波长（从 0.6 到 ~28 微米）的宇宙，它可以在数十个不同的波长范围内进行成像，以及对单个物体进行光谱学。但是，JWST 也有几个重要的限制。
它的视野很窄，因此无法同时观察到宇宙的很多地方。
它的超额认购令人难以置信，每接受一个提案，大约有 10 个高质量的观察提案被拒绝。
对物体进行光谱分析所需的时间比进行成像的时间要长得多，这严重限制了可以进行光谱分析的物体数量。
而且它不能同时对多个滤镜中的对象进行成像;要执行光度成像的波长组数越多，需要使用 JWST 进行观察的时间就越长。
即使有这些限制和限制，JWST 仍具有独特的能力来开展大量新颖的科学研究。特别是，JWST 有望打破宇宙记录，例如某些类别天体的「最遥远」或「最早」的例子，因为 JWST 的设计考虑到了这些目标。然而，由于 JWST 的能力，有一整套新的发现既出乎意料又突然成为可能，这些是 JWST 或任何新天文台最令人兴奋的科学方面之一。
天文学家和物理学家一直在使用一个词，这些领域以外的人几乎闻所未闻：「发现潜力」。在科学方面，天文学家对 JWST 时代如此兴奋的原因有两个。第一个是你所期望的：所有这些新功能都是由新技术实现的——由于其分段和折叠的性质而在太空中有一个大型主镜，由于 5 层遮阳板而产生的极冷温度，由于仪器和洁净室技术的进步而产生的原始光学元件和仪器等——有许多记录表明， 仅从其设计的能力来看，JWST 肯定会崩溃。这些是 JWST 的 「灌篮高手 」理由。
但第二组原因不仅对 JWST 意义深远，而且对物理学和天文学的大部分意义也深远。每当您建造符合以下条件的仪器、天文台或机器时：
超越了所有类似努力的所有先前限制，
特别是在过去类似努力敏感的特定参数范围内，
然后，您可以使用该仪器、天文台或机器来查看新位置，甚至查看您以前查看过的物体或现象，
这些新功能实现了没有它们根本不可能实现的事情：只需使用这个新工具即可发现新事物的可能性。之前的所有努力都不会对这样的新发现敏感，但只要用这个新工具探测宇宙，发现令人惊讶——甚至是革命性——的东西的可能性突然变得触手可及。
因此，得知 JWST 为我们带来了许多属于这两类的新发现也就不足为奇了。是的，我们与 JWST 一起创造了许多新的宇宙记录，正如我们所期望的那样。超遥远的恒星、类星体和星系正是 JWST 旨在探测的天体类型，它们具有比哈勃、斯皮策、SOFIA 或我们武器库中任何世界级的地面光学和红外天文台更长的波长和更高的分辨率能力。自 2022 年 JWST 时代开始以来，有许多宇宙距离记录被打破和修改的例子，它们和你想象的一样令人印象深刻。
许多人称 JWST 为「宇宙时间机器」，因为它能够比历史上任何其他光学或红外天文台更清楚地看到我们的宇宙过去。（是的，我们可以通过微波看到大爆炸的剩余辉光，而且由于 氢的 21 厘米自旋翻转跃迁 ，我们甚至可能在恒星形成之前就用远红外和射电天文学看到中性氢原子的特征。它能够以如此高的精度观测比以往任何时候都长的波长，再加上进行光谱后续观测的能力，使 JWST 不仅能够识别出大量候选超遥星系，还能确认它们的距离并识别其中的特征。
JADES-GS-z14-0 位于顶部插图框中，位于一个更近、更亮、更蓝的星系后面（就在它的右侧）。只有通过具有令人难以置信的分辨率的光谱学能力，能够将两个源分开，才能确定这个破纪录的遥远天体的性质。它的光芒来自宇宙只有 2.85-2.9 亿年的时候：只有现在年龄的 2.1%。JADES-GS-z14-1，就在它下面，来自宇宙 ~3 亿年的时候。与大型现代星系相比，所有早期星系都包含少量恒星，并且具有不规则、不明确的形状。
例如，在 JWST 之前，已知宇宙中最遥远的星系是 GN-z11，哈勃太空望远镜观测到它，并在 2016 年创造了宇宙距离记录。当 JWST 于 2022 年开始科学行动时，它仍然是人类已知的最遥远的已确认星系。然而，截至 2024 年底，GN-z11 不仅不再是记录保持者，甚至没有进入前 10 名。JWST 发现或探测到的所有十个 最遥远的星系 都证实了它们的巨大距离，JADES 合作发现并确认了当前的宇宙纪录保持者： JADES-GS-z14-0 。
这个超遥远的星系在许多方面都非常了不起。
它的光芒来自宇宙大爆炸后的 2.85 亿年，当时宇宙的年龄只有现在的 2.1%。
它与一个更亮的前景星系重叠，但多亏了 JWST 令人难以置信的分辨率，我们可以解开两个星系的束缚，详细地揭示更远的背景物体。
它的红移为 14.32，这意味着当 JWST 观测到它时，我们正在观察的光已经被拉伸了其最初发射波长的 1432%。
然而，这个星系有两个特性可以说是一系列光荣的惊喜。首先，这个星系很亮：不仅比我们主要理论预测的要亮，而且比以前观测到的超遥远的JWST星系还要亮得多。其次，这个星系中的尘埃极少：同样是出乎预测的意料。
JWST 还打破了许多其他宇宙距离记录。它发现了有史以来 最早的原星系团 ，在天空的同一个狭窄区域发现了七个独立的星系，它们都处于完全相同的红移：7.88，对应于大爆炸后仅 6.5 亿年的纪元。这个被称为 A2744z7p9OD 的原星系团打破了令人印象深刻的 1.5 亿年旧记录。此外，这些早期星系中的许多星系不仅仅是显示为与单个点状来源无法区分的单个红点，而是似乎是扩展的天体，有些甚至可能表现出具有卫星伴星的特征：如果没有 JWST 的能力，就不可能观察到丰富的细节。
在JWST的早期数据中还发现了数百个超遥距离星系候选星系——包括数十个可能打破JWST新创纪录的星系。在 2023 年的一项研究中，JWST 发现 的最遥远的引力透镜 纯属偶然。由于 JWST，许多有史以来最遥远的超大质量黑洞（包括四个最遥远的黑洞）也被发现了，包括 星系 UHZ1 中的一个非凡的 黑洞：JWST（在红外光下）和 Chandra（在 X 射线下）联手发现了一个超大质量黑洞，其质量大约是银河系中心黑洞质量的两倍。 但是在那个星系中只发现了大约 ~1000 万个太阳质量的恒星。尽管 JWST 能够揭示这些天体并不奇怪，但黑洞与星系中恒星总数之间的质量比非常出乎意料。
JWST 还进行了许多人所说的「平凡」观测：跟踪吸引天文学家几代人并且之前已经被观测了数百次的天体。例如，JWST 研究了蟹状星云：一个超新星遗迹，在近一千年前，即 1054 年，随着一颗大质量恒星的核心坍缩而诞生。从那以后的 970 年里，蟹状星云已经扩大并扩大到大约 11 光年的直径，即使在一千年后也展示了超新星爆炸的威力。由于它对特征的敏感性很难用以前的天文台来解决，它可能 还会解开质量之谜 ：为什么中心脉冲星加上超新星喷射物中的物质加起来没有达到被认为触发核心坍缩超新星所需的最小质量（8 个太阳质量）。
它窥视了猎户座星云的内部，这是离地球最近的大型恒星形成区域。在内部，它试图更好地对原恒星进行成像，同时绘制出其中的中性物质和尘埃。当然，它在这些努力中取得了成功，但它也发现了其红外敏感能力完全出乎意料的东西：大量的木星质量（和超木星质量）行星在这些恒星形成区域内自由漂浮，这些行星没有任何类型的母星。这些行星的发现不仅令人惊讶，而且其中高达 9% 的行星被发现以双星对的形式结合在一起， 使它们成为木星质量双星物体 （JuMBO）， 这是一类在 JWST 之前甚至不知道存在的天体。
五个不同的 JuMBO，或木星质量双星天体，在猎户座星云的一个非常小的区域内发现。请注意，这些特定的 JuMBO 编号为 31 到 35，表明有数十个这样的对象。在本次调查发现的所有木星质量天体中，约有 9% 被锁定在双星系统中。
当 JWST 窥视经过充分研究的 El Gordo 星系团 时，它发现了一些形状壮观的引力透镜，这正是你期望在一个大型、巨大但遥远的星系团中发现的，其引力可以弯曲和扭曲它所占据的时空。因此，背景对象被镜头化：扭曲、拉伸和放大，通常同时显示为多个图像。然而，在该领域中还发现了以前从未见过的东西：一颗 位于宇宙学距离上的红色超巨星 ，由于其能力与 El Gordo 星系团的透镜特性相结合，只有 JWST 才能看到。它被称为 Quyllur，在盖丘亚语中是恒星的意思，距离地球超过 100 亿光年。
同时，JWST 还观测到了大量相对邻近的星系，这些星系具有三个重要特性：
它们富含造父变星，造父变星是一种特殊类型的恒星，其亮度随时间变化，具有众所周知的关系。
它们被发现在星系中，这些星系在某一时刻还容纳了至少一颗 Ia 型超新星，这使它们成为测量宇宙膨胀速率的宇宙距离阶梯方法中重要的「连接梯级」，
而且它们的距离足够远，以至于现有的天文台，如哈勃，无法在这些拥挤的星域中单独分辨造父变星。
这个场拥挤问题是否使我们的宇宙距离阶梯产生了偏差？JWST 能够提出和回答这个问题， 答案是响亮的「不」， 这表明哈勃张力和膨胀宇宙的神秘性一如既往地强大，同时大大减少了任何可能的错误来源。
然而，也许 JWST 最令人惊讶的发现来自观察附近明亮的 Fomalhaut 星：夜空中最亮的 20 颗恒星之一，距离它只有 ~25 光年。它也是一个非常年轻的恒星系统：如此年轻，以至于它周围仍然有一个富含尘埃的碎片盘：这是我们自己的太阳系近 40 亿年来从未发生过的事情。有迹象表明这个系统中可能存在一颗系外行星，JWST 时间被分配给一个想要寻找它的团队。凭借其高分辨率能力和对长波长红外光的敏感性，JWST 有可能直接对这样的世界进行成像。
然而，这些观察结果最终讲述的故事完全出乎意料。为了寻找一颗潜在的行星，JWST 反而发现了：
一个内盘，对应于内行星和一条类似小行星的带，
一个外环，以前由 Hubble 和 ALMA 看到，对应于类似柯伊伯的带，
这些特征中的内部间隙和外部间隙，对应于可能的（尽管 JWST 的眼睛看不到）系外行星的位置，
而真正令人震惊的是：一条中间带 ，在我们自己的太阳系中没有类似物的东西。
这个令人震惊和令人惊讶的发现现在让我们提出了一个我们甚至不知道我们需要问的问题：一个典型的恒星系统实际上有多少条「带」？2 是我们所拥有的数字，普通的还是罕见的，甚至是宇宙中的稀有物？
从宇宙的角度来看，JWST 向我们展示了许多我们本可以预料的事情，但也带来了大量的惊喜。它在很多方面都打破了宇宙距离记录：最遥远的星系团、最遥远的红超巨星、最遥远的引力透镜和最遥远的超大质量黑洞，等等。但是，它教会了我们关于宇宙的知识——特别是关于我们的宇宙是如何成长的——其中包括在 JWST 将其发现潜力释放到人类之前没有人能预料到的惊喜。
恒星系统，比如我们自己的太阳系，有两条带、三条带，或者其他一些一般数量的带，哪种配置最常见？（在 JWST 之前，我们不知道要问这个问题。
恒星形成时诞生了哪些类型的非恒星系统，而超级木星行星和带有木星质量双星天体的系统是否只是冰山一角？（我们不知道 JuMBO 在 JWST 之前就存在。
超大质量黑洞是如何在宇宙中真正形成的，JWST 的这些发现是否排除了它们起源于第一代恒星的可能性？（答案似乎是「是的」，令人难以置信！
既然造父变星的场拥挤已经被排除为哈勃紧张的原因，那么它的最终解决方案是什么？（仍然是一个悬而未决的问题，但已经消除了一种潜在的污染物。
而且，尽管它们最初的数量和亮度令人惊讶，但 JWST 看到的最早的星系真的与我们对宇宙的共识一致吗？（答案似乎又是「是」，因为星系的这些特性 主要归因于爆发性恒星的形成和超大质量黑洞活动对光的增强 。
JWST 已经教会了我们大量关于宇宙的信息，包括它是什么样子、它是如何成长的，以及它如何创造与我们不同但又相似的恒星和行星系统。展望未来 ~20 年的科学运营，我们唯一可以确定的是，JWST 创造的记录，以及它提出并开始回答的科学问题，预示着许多发现即将到来。
