花了100億美元的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡，到底能看到什么？
美國東部時(shí)間2022年7月11日晚，首張由美國國家航空航天局、歐洲航天局與加拿大航天局聯(lián)合研究開發(fā)，史上最強(qiáng)空間望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的全彩深空圖像公布，不僅引發(fā)全球轟動(dòng)，也給世人帶來宇宙探索的全新震撼。 人類用于探測宇宙的望遠(yuǎn)鏡按其部署位置可分為空間望遠(yuǎn)鏡和地面大型望遠(yuǎn)鏡。 空間望遠(yuǎn)鏡又稱太空望遠(yuǎn)鏡或太空天文臺，是在外太空觀測天體的望遠(yuǎn)鏡?？茖W(xué)家可以利用大型電子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制空間望遠(yuǎn)鏡，追蹤想要觀測的星體?？臻g望遠(yuǎn)鏡能探測到百億光年外的宇宙空間。在目前各國運(yùn)行的空間望遠(yuǎn)鏡中，基礎(chǔ)型號能夠同時(shí)觀測約1000個(gè)天體，先進(jìn)型號則可多達(dá)4000個(gè)。 相較于地面望遠(yuǎn)鏡，空間望遠(yuǎn)鏡在進(jìn)行天文觀測時(shí)具有四大優(yōu)勢： 其一，可接收波段范圍更寬的輻射 ，也就是說空間望遠(yuǎn)鏡能捕捉到更多的光信號，因此在同一范圍內(nèi)可比地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)更多的天體信息。 其二，因在宇宙空間不受大氣的干擾，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)可達(dá)到它的衍射極限。 大氣干擾主要表現(xiàn)在兩方面，首先是大氣湍流的影響。大氣湍流是大氣重要的運(yùn)動(dòng)形式之一，是因不同層級或不同區(qū)域的空氣受熱不均引起的，簡單說就是大氣層的冷熱不均導(dǎo)致大氣層中的物質(zhì)分布也不均勻，相當(dāng)于我們在一個(gè)氣泡內(nèi)觀測宇宙，看到的宇宙圖像會出現(xiàn)閃爍和模糊，影響視寧度（指望遠(yuǎn)鏡顯示圖像的清晰度），進(jìn)而影響觀測的準(zhǔn)確性。晴朗夜空看到星星忽明忽暗，仿佛在眨眼，就是大氣湍流造成的。另一方面是大氣層會影響光的傳播路徑，發(fā)生光的衍射、散射等現(xiàn)象。光的衍射是指光在傳播過程中遇到障礙物或小孔時(shí)，偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象。光的散射是指光通過不均勻介質(zhì)時(shí)一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。而地球大氣層中分布和飄浮著很多物質(zhì)，使得來自遙遠(yuǎn)宇宙的光穿過地球表面時(shí)不可避免地產(chǎn)生偏離，對地面觀測造成巨大影響。 其三，天空背景不受大氣輝光（指大氣在夜間發(fā)光現(xiàn)象）和照明燈光的影響，有利于對暗星的探測。 尤其因?yàn)辄c(diǎn)像不受大氣干擾而變得很銳，對暗星的探測和分光工作都大為有利。 其四，不存在重力引起的結(jié)構(gòu)變形。 空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造比地面望遠(yuǎn)鏡要嚴(yán)格得多，其鏡面的精度要求達(dá)到0.01微米左右。大口徑的鏡面在有重力存在的地面上，加工到如此高的精度相當(dāng)困難。由于在軌運(yùn)行處于失重狀態(tài)，不存在重力結(jié)構(gòu)變形，可以有效提高目標(biāo)跟蹤指向精度和像質(zhì)。 1923年，現(xiàn)代火箭學(xué)之父之一的赫爾曼·奧伯特發(fā)表的論文《火箭進(jìn)入行星空間》中提到如何用火箭將望遠(yuǎn)鏡送入太空。 空間望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想于1946年由美國理論天體物理學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer Jr）提出。世界第一臺伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡是蘇聯(lián)于1965年發(fā)射的質(zhì)子1號衛(wèi)星；第一臺X射線空間望遠(yuǎn)鏡是1970年由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的烏呼魯X射線衛(wèi)星；第一臺成功運(yùn)行的紫外線空間望遠(yuǎn)鏡是由NASA于1968年發(fā)射的軌道天文臺2號，搭載了11臺紫外線望遠(yuǎn)鏡，它發(fā)現(xiàn)了一些彗星周圍存在數(shù)十萬公里寬的“氫云”。 1968年發(fā)射的軌道天文臺2號，是第一臺成功運(yùn)行的紫外線空間望遠(yuǎn)鏡，收集了彗星、行星和星系的許多紫外線數(shù)據(jù)。 電磁輻射自高頻至低頻分為伽馬射線區(qū)、X射線區(qū)、紫外線區(qū)、可見光區(qū)、紅外線區(qū)、微波區(qū)和無線電區(qū)。這其中， 可見光區(qū)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要用于觀察行星、恒星、星系、行星狀星云和原行星盤等。 自1989年歐洲航天局（ESA）發(fā)射首個(gè)光學(xué)太空天文臺后，美國航天局、歐洲航天局等機(jī)構(gòu)相繼發(fā)射了多個(gè)不同類型的包含可見光波長的空間望遠(yuǎn)鏡，其中最著名的是1990年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope，縮寫HST），它也是詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, 縮寫JWST）升空之前，鏡面口徑最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已工作32年，它一直是人類對宇宙探索中最先進(jìn)、最頂尖的工具之一，幫助天文學(xué)家確定宇宙年齡、確認(rèn)存在超大質(zhì)量黑洞、捕捉宇宙深處圖像、收集并提供地球太陽系中衛(wèi)星和行星飛行圖像，等等。 而隨著詹姆斯·韋布拍攝的5張照片的發(fā)布，許多人用“新王加冕”形容它。韋布為何能成為哈勃的極致繼任者呢？ 從嚴(yán)格意義上講，2021年12月25日發(fā)射的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡是紅外望遠(yuǎn)鏡，波長主要集中在近紅外與中紅外，可見光范圍僅能看到橙光與紅光，哈勃?jiǎng)t主要在可見光和紫外光下進(jìn)行觀測。 紅外視圖可以穿透宇宙塵埃并揭示隱藏的物體或結(jié)構(gòu)，這意味著韋布可更好地通過塵埃和氣體云進(jìn)行觀察，探測到比哈勃更暗的物體，利于研究恒星形成。 韋布是一臺紅外望遠(yuǎn)鏡，四臺科學(xué)儀器可捕捉0.6?28微米波長內(nèi)的天體圖像和光譜信息。 光在宇宙中傳播會發(fā)生紅移現(xiàn)象，即電磁輻射由于某種原因（一般是距離和宇宙膨脹）導(dǎo)致波長增加、頻率降低的現(xiàn)象，比如距離地球非常遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的光波抵達(dá)地球時(shí)可能被拉長為極弱的紅外信號， 而韋布能捕捉紅外信號探測到更深、更久遠(yuǎn)的宇宙空間，精準(zhǔn)彌補(bǔ)了哈勃的波長短板。同時(shí)，韋布的主鏡比哈勃的大很多，更大的光收集區(qū)域意味著可比哈勃追溯更遠(yuǎn)的時(shí)間。 韋布的鏡面收集面積為25平方米，而哈勃只有4.5平方米。韋布是目前發(fā)射的最大空間望遠(yuǎn)鏡，其主鏡口徑約6.5米，是哈勃的2.7倍以上，由18片鈹鏡片拼接而成，每片直徑1.32米，僅重20千克。選用金屬鈹為主鏡材料，是因?yàn)殁數(shù)馁|(zhì)量輕、強(qiáng)度大，且在低溫環(huán)境仍能保持形狀。由于光傳播需要時(shí)間，物體距離越遠(yuǎn)，我們觀察到的宇宙年齡就越小。從本質(zhì)上講，哈勃可以看到宇宙的“幼兒時(shí)期”，而韋布能夠看到其“嬰兒時(shí)期”。 哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑2.4米，集光面積4.5平方米；韋布望遠(yuǎn)鏡主鏡由18個(gè)直徑為1.32米的六角形鍍金鈹鏡組成，總直徑約6.5米，集光面積25平方米。更大的集光面積意味可追溯更遠(yuǎn)的時(shí)間。 韋布主鏡選用金屬鈹，它質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，且在低溫環(huán)境仍能保持形狀。外包100納米薄黃金涂層增強(qiáng)紅外反射率，頂部再封無定形二氧化硅保護(hù)層提高耐用性。 此外， 哈勃位于近地軌道，在570公里的高度繞地球運(yùn)行，韋布則位于150萬公里外的日地拉格朗日L2點(diǎn)。拉格朗日點(diǎn)又稱平動(dòng)點(diǎn)，即一個(gè)小物體在兩個(gè)大物體的引力作用下，在空間中的一點(diǎn)，小物體相對于兩個(gè)大物體基本保持靜止。 作為5個(gè)拉格朗日點(diǎn)之一，L2點(diǎn)位于太陽-地球連線的延長線上，受太陽、地球兩大天體引力作用平衡，能保持相對靜止，即長期駐留消耗較少的燃料。同時(shí)，該點(diǎn)是唯一太陽可被地球遮擋，且太陽、地球、月球都位于同側(cè)的點(diǎn)，受到周圍紅外干擾最少。但韋布并不是靜止于該點(diǎn)，而是圍繞L2點(diǎn)進(jìn)行日暈軌道運(yùn)動(dòng)，和太陽呈28度夾角，既能很好遮蔽太陽干擾，又能使韋布的太陽能電池板蓄能。但日地拉格朗日L2點(diǎn)據(jù)地球甚遠(yuǎn)，約是地月距離的4倍，人類無法抵達(dá)，這意味著韋布若出現(xiàn)問題，不能像哈勃那樣派人前去維修。 太陽與地球空間共5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，韋布位于L2點(diǎn)。該點(diǎn)是唯一太陽可被地球遮擋，且太陽、地球、月球都位于一側(cè)的點(diǎn)，受到周圍紅外干擾最少。 L2點(diǎn)為不穩(wěn)定點(diǎn)，因此韋布需使用推進(jìn)劑維持在該點(diǎn)日暈軌道運(yùn)動(dòng)。 哈勃升空后不久，NASA發(fā)現(xiàn)其光學(xué)元件出現(xiàn)偏差，成像不清晰，于1993年進(jìn)行第一次維修，宇航員們?yōu)槠浒惭b了一套修正原有球差缺陷的鏡片。 也許通過文字還不能真正認(rèn)識到兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的差距，下面我們通過對比成像圖，更直觀地加以認(rèn)識。 船底座星云是天空中最大、最明亮的星云之一，也是為數(shù)不多在南半球上空肉眼可見的星云之一。 圖中可見巨大、熾熱的年輕恒星發(fā)出強(qiáng)烈紫外線輻射和恒星風(fēng)。這個(gè)被NASA稱為“宇宙懸崖”的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是位于船底座星云西北角的NGC 3324年輕恒星形成區(qū)域邊緣，距地球7500光年。得益于韋布的紅外視覺，其拍攝的畫面細(xì)節(jié)更清晰。一顆顆年輕的恒星在“山脈”上閃閃發(fā)光，其中最年幼的恒星在云層最黑暗的地方以紅點(diǎn)的形式顯現(xiàn)出來。 韋布拍攝的“宇宙懸崖”，圖中云層黑暗處的紅點(diǎn)是許多年輕、年幼的恒星。 NGC 3132(南指環(huán)星云)其實(shí)是2500光年外“垂死的”類太陽恒星的“裹尸布”，圖中小的一顆恒星已坍縮成白矮星，留下的一片行星狀星云是其爆發(fā)出的物質(zhì)，大的一顆還很年輕。 正是韋布穿過塵埃，向人們清晰呈現(xiàn)了星云中的雙恒星系統(tǒng)，并揭示出那顆較暗的白矮星實(shí)際被籠罩在它自己的小灰塵云中。 哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的NGC 3132行星狀星云 左為韋布近紅外相機(jī)拍攝NGC 3132，右為其中紅外相機(jī)拍攝，清晰呈現(xiàn)了星云中的雙恒星系統(tǒng)，較暗的白矮星被籠罩在自己之前噴發(fā)的物質(zhì)中。 斯蒂芬五重星系是距離地球2.1億?3.4億光年致密星系群。 雖被稱為“五重星系”，看著也確實(shí)是5個(gè)星系組成的星系團(tuán)，好似在宇宙中“舞蹈”。但其實(shí)最左邊的星系NGC 7320距離地球3900萬光年，只是與其他4個(gè)星系碰巧在同一片天空中。其余4個(gè)星系的超大質(zhì)量的黑洞在吞噬塵埃和氣體，由于引力作用，它們碰撞、合并，引發(fā)恒星形成，并在整個(gè)系統(tǒng)中產(chǎn)生了沖擊波，其潮汐尾被韋布清晰捕捉。 4個(gè)星系由于引力作用碰撞、合并，其潮汐尾被韋布清晰捕捉。 韋布中紅外相機(jī)捕捉到圖右上NGC 7319棒旋星系中的超大質(zhì)量黑洞 SMACS 0723星系團(tuán)其實(shí)只是南半球天空飛魚座的一個(gè)像素點(diǎn)，相當(dāng)于在一臂之遙看1粒沙。 該星系團(tuán)的發(fā)現(xiàn)源于1995年科學(xué)家在哈勃成像中選擇的一個(gè)空像素點(diǎn)，用了10天時(shí)間曝光，本來漆黑一片的圖像呈現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)星光。 哈勃這張深空圖像，也是設(shè)立韋布項(xiàng)目的初衷——觀測宇宙大爆炸后最初的星系和恒星是如何形成的。韋布僅用12.5小時(shí)曝光就捕捉到該區(qū)域46億年前的光線。這張人類歷史上最遙遠(yuǎn)的宇宙圖片揭示了宇宙中許多隱藏的結(jié)構(gòu)，特別是圖中扭曲的光影，是星系團(tuán)中的引力透鏡。超大質(zhì)量星系團(tuán)會使周圍的時(shí)空發(fā)生扭曲，其背后星系的光也能透過引力透鏡被看到并呈現(xiàn)放大效果。韋布正好能利用這種效應(yīng)，探索人類從未窺探過的深空，追溯更深遠(yuǎn)的時(shí)間。圖中那些更紅的星系距離我們更遙遠(yuǎn)，此前許多被遺落在哈勃的視野范圍之外。 如果哈勃可稱為“太空之眼”，那么詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡就是“宇宙之眼”。 SMACS 0723星系團(tuán)的發(fā)現(xiàn)源于1995年科學(xué)家在哈勃成像中選擇的一個(gè)空像素點(diǎn)，用了10天時(shí)間曝光，本來漆黑一片的圖像呈現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)星光。 韋布僅用12.5小時(shí)曝光，就捕捉到該區(qū)域46億年前的光線。它可通過圖中的引力透鏡探索人類從未窺探過的深空。 詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡并非一夜成名，它的發(fā)射時(shí)間比原計(jì)劃晚了15年，更一度成為最大的航天預(yù)算黑洞，項(xiàng)目險(xiǎn)被取消。 正是人們?yōu)榱丝吹接钪孀畛?、最古老的光的?qiáng)烈信仰，是無數(shù)科學(xué)家、工程師夜以繼日的努力攻破科學(xué)壁壘，才有了今天這5張寶貴的圖像。韋布的成功也將開啟宇宙深空探索的新時(shí)代，是一次人類了不起的遠(yuǎn)征。 從空間望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)層面說，韋布引領(lǐng)的新方向主要為三方面： 第一，未來的空間望遠(yuǎn)鏡都將是可折疊的。 工程師們用工程學(xué)的“折紙術(shù)”將韋布直徑約6.5米鏡面分成了3段。折疊技術(shù)為人類搭建下一個(gè)更大的空間望遠(yuǎn)鏡鋪平了道路，未來所有的空間望遠(yuǎn)鏡都將以韋布的大膽設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，因此它就是未來空間望遠(yuǎn)鏡的藍(lán)圖。 第二，韋布開啟了一個(gè)自我調(diào)整結(jié)構(gòu)的時(shí)代。 “韋布望遠(yuǎn)鏡的成功意味著人類已經(jīng)開始研究如何在太空組裝大型結(jié)構(gòu)。在某種意義上，你可以把韋布想象成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人，它可以在軌道上自行調(diào)整?！薄绊f布的成功標(biāo)志著太空自動(dòng)化組裝大型結(jié)構(gòu)邁出重要的第一步。這些技術(shù)也可能適用于太空模塊、太空飛船和空間站?！必?fù)責(zé)校準(zhǔn)韋布主鏡段的軟件開發(fā)工程師如是說。 第三，空間望遠(yuǎn)鏡將使用遮陽板，而不是冷卻劑來降溫。 韋布是一臺紅外望遠(yuǎn)鏡，紅外的本質(zhì)是溫度，而溫度又由運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。宇宙中沒有絕對靜止，也就沒有絕對零度。所有的物體都會發(fā)射紅外線，太陽、地球、月亮也不例外。為了遮蔽周圍特別是太陽的紅外熱量干擾，韋布配有風(fēng)箏形狀、由5層聚酰亞胺薄膜E（Kapton E）與鋁和摻雜硅涂層組成的遮陽膜。約300平方米的遮陽膜可保證韋布能在-223℃?-266℃下工作，最大限度減少周邊紅外干擾。遮陽膜技術(shù)的成功，克服了傳統(tǒng)空間望遠(yuǎn)鏡因冷卻劑缺失停止運(yùn)行的困境，大大提升了工作壽命。 韋布的5層聚酰亞胺薄膜E與鋁和摻雜硅涂層組成的遮陽膜，每層都薄如發(fā)絲，約300平方米，可保證韋布能在-223℃以下工作。 韋布之所以引發(fā)全球關(guān)注，最主要的原因是它能夠看到一些最古老的恒星和星系的形成，即能夠觀察到近140億年前大爆炸后不久的天體。 這項(xiàng)偉大成就將激勵(lì)即將發(fā)射或是建立空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的國家，調(diào)整探測方向，向未來進(jìn)發(fā)。同時(shí)，韋布還會幫助我們更詳細(xì)地觀察和了解太陽系，更深入地研究和觀察系外行星的大氣和條件，這對于尋找可能適合生命生存的空間區(qū)域至關(guān)重要。此外，由于韋布能觀測非常遙遠(yuǎn)的深空，許多研究人員希望它能找到存在生命的系外行星。在圍繞距地球40光年外的恒星TRAPPIST-1旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，有7顆類似地球大小的行星是科學(xué)家認(rèn)為目前最有可能發(fā)現(xiàn)生命的區(qū)域?；蛟S人類真的并不孤獨(dú)，期待韋布給我們答案。 浩渺宇宙，無垠星空，空間望遠(yuǎn)鏡是人類望向深空的眼睛。中國人為了實(shí)現(xiàn)星辰大海，將宇宙看得更廣、更深、更清晰，預(yù)計(jì)于2023年發(fā)射首個(gè)大型空間巡天望遠(yuǎn)鏡。 中國科學(xué)院國家天文臺副臺長、中國空間站望遠(yuǎn)鏡科學(xué)工作聯(lián)合中心主任劉繼峰表示，中國空間站望遠(yuǎn)鏡非常有氣勢，大小相當(dāng)于一輛大客車，立起來有3層樓高，口徑為2米，與哈勃的口徑相當(dāng)，但視場（指望遠(yuǎn)鏡所能看到的天空范圍）大了350倍。據(jù)悉，這臺望遠(yuǎn)鏡將與我國的空間站共軌獨(dú)立飛行，并可與空間站對接，進(jìn)行燃料補(bǔ)充與維修，覆蓋紫外線、可見光與近紅外波段。根據(jù)中國空間站望遠(yuǎn)鏡科學(xué)數(shù)據(jù)責(zé)任科學(xué)家李然的介紹，這臺中國的“深空之眼”未來前10年將主要致力于通過對天空的廣泛觀察，了解宇宙的歷史和演化，而后將成為旗艦級空間天文設(shè)施。 巡天空間望遠(yuǎn)鏡是中國載人航天工程規(guī)劃建設(shè)的大型空間天文望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)2023年發(fā)射，與我國空間站共軌飛行。 隨著詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的探索，人類對宇宙的認(rèn)知或?qū)⒅匦陆?gòu)，宇宙誕生的謎題、一切歷史的原點(diǎn)或?qū)⒔议_，讓我們拭目以待。
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