人类史上首次发布深空宇宙高清图像!来自造价 100 亿美元的最贵「相机」

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07-12 12:59

宇宙大爆炸究竟如何发生?宇宙真正延伸了多远?人类在宇宙中是否是孤独的?

在不远的未来,哈勃望远镜继任者詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST),或将解答这些问题,现在它交出了第一份答案。

JWST 拍摄到了迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像,也是它服役以来第一张全彩色图像。

以红外成像为眼,观测未知的古老宇宙

图中是 46 亿年前出现的星系团 SMACS 0723,包含了数千个星系。

它由 JWST 的近红外相机(NIRCam)拍摄,用不同波长的照片合成,收集所有照片总共耗费了 12.5 个小时,若交给哈勃望远镜则需要数周时间。

▲ 图片来自:NASA

美东时间 7 月 11 日下午,NASA 局长 Bill Nelson 在白宫的最后一分钟特别简报会上公布了这张照片:

总统先生,如果您将指尖上的一粒沙子放在一臂远的地方,那就是您所看到的宇宙的一部分。

但图中的星团十分巨大,甚至弯曲了它们周围的空间和时间,结果呈现出一种「引力透镜」的现象,放大了星团背后更遥远的星系。

图中其中一些星系发出的光已经行进了 130 亿年,才能到达望远镜面前。

JWST 不仅会对目标天体成像,而且还能将光分解成不同的波长。

因此,JWST 不仅可以聚焦遥远的星云、星系团甚至系外行星,让我们看清以前从未见过的微小结构,还可以帮助研究人员了解星系的质量、年龄、历史和成分。

▲ 图片来自:NASA

这主要是因为,JWST 的原理与哈勃等望远镜不同,它基于红外成像,观测人眼不可见的电磁光谱区域(红外区域)发出的光。

发挥作用的是近红外光谱仪(NIRSpec)、中红外仪器(MIRI)、近红外相机(NIRCam)、近红外成像仪和无缝摄谱仪(NIRISS)这四种科学仪器。

哈勃有部分红外探测能力,但不如 JWST。

▲ 哈勃观测猴头星云的可见光(左)和红外视图(右). 图片来自:NASA and ESA

JWST 观测到的红外区域,对于绘制我们宇宙的时间线至关重要——由于宇宙在不断膨胀,最古老稀有的恒星,以及被它们照亮的事物,只会以红外光的形式出现在我们面前。

天文学家希望使用 JWST 探索宇宙历史的每一个阶段,从我们的太阳系内部到早期宇宙中最遥远的可观测星系,再到介于两者之间的一切,帮助人类了解宇宙起源、星系演化和我们在其中的位置。

也就是说,我们有望观测今天可见宇宙的初期状态,看到在大爆炸后仅几亿年形成的首批星系,彻底改变我们所知道的天体物理学。

这张照片还只是预告,北京时间 7 月 12 日 22 时 30 分,NASA 将直播发布更多全彩图像和数据,包括星云、星系和太阳系外行星大气。

迄今为止最昂贵的空间望远镜,不允许任何失误

JWST 经过大约 25 年的发展,于 2021 年 12 月 25 日发射升空。

在此之前,它经历了数十年的准备,计划始于 1990 年代初期,以 NASA 第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名,预算为 5 亿美元,在 2007 年投入使用

然而,JWST 的建造难度之大远远超出了 NASA 的预料,由于项目存在很多工程延误和成本超支,JWST 在 2005 年进行了重大的重新设计,发射时间一拖再拖,直到 2021 年 JWST 终于有可能发射。

20 个国家持续 25 年的投入、数万名科学家的倾力合作、各种挫折和多次推迟,种种因素造就了史上最贵的空间望远镜,JWST 造价接近百亿美元

▲ 完全展开的 JWST(艺术渲染图). 图片来自:NASA

前沿科学烧钱,自然有烧钱的道理,它包括了更大口径的镜片、10 纳米级别的镜面材料、大小相当于网球场的遮阳板等等,其中很多是有且仅有的「孤品」,必须要 100% 的正确率。

简言之,技术是突破性的,研发是孤注一掷的,体现在成本上也绝不是简单的线性增长。

就算可以发射,JWST 太过庞大,不能直接以完整形态发射到太空,必须折叠起来才能安装在火箭上发射,只能发射后在遥远的太空中完成各项调整,还不允许任何失误。

光是在太空将遮阳板展开,就花费了两周。

JWST 观测组件的温度必须保持在 40K(-233.15℃)以下,才能看到微弱红外光,遮阳板起到的就是控温作用。否则,观测目标的信号会淹没在来自望远镜本身、太阳、地球与月球的红外辐射中。

▲ 遮阳板在发射前接受地面测试. 图片来自:NASA

展开遮阳板的复杂体现在,每个关节必须完美执行,遮阳板才能被打开。整个 JWST 有多达 344 个单点故障,遮阳板包含其中的很大一部分,单点故障意味着一旦出现故障,那么整个项目宣告失败。2018 年测试期间薄膜的意外撕裂也是项目推迟的因素之一。

主镜的校准同样耗费了大量时间。

JWST 的主镜,被设计为由 18 块六边形镜片组成的「蜂窝状」可折叠反射镜,这有助于它从所选目标捕获大量红外光。但是这些镜片中的每一个(加上次镜和其他组件)都需要精确调整,以使其中反射的图像与其他反射镜匹配和重叠。

▲ 动图制作自:YouTube@JWST

在过去的六个月里,工程师和科学家一直在仔细调整望远镜的镜面部分并校准其仪器。

如今,JWST 终于准备好了一切,开始为人类收集来自遥远星系的光。

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