人類史上首次發佈深空宇宙高清圖像!來自造價 100 億美元的最貴「相機」

愛範兒 於 14/07/2022 發表 收藏文章
宇宙大爆炸究竟如何發生?宇宙真正延伸了多遠?人類在宇宙中是否是孤獨的?

在不遠的未來,哈勃望遠鏡繼任者詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST),或將解答這些問題,現在它交出了第一份答案。

JWST 拍攝到了迄今為止最深、最清晰的遙遠宇宙紅外圖像,也是它服役以來第一張全綵色圖像。

以紅外成像為眼,觀測未知的古老宇宙

圖中是 46 億年前出現的星系團 SMACS 0723,包含了數千個星系。

它由 JWST 的近紅外相機(NIRCam)拍攝,用不同波長的照片合成,收集所有照片總共耗費了 12.5 個小時,若交給哈勃望遠鏡則需要數週時間。

▲ 圖片來自:NASA

美東時間 7 月 11 日下午,NASA 局長 Bill Nelson 在白宮的最後一分鐘特別簡報會上公佈了這張照片:
引用總統先生,如果您將指尖上的一粒沙子放在一臂遠的地方,那就是您所看到的宇宙的一部分。

但圖中的星團十分巨大,甚至彎曲了它們周圍的空間和時間,結果呈現出一種「引力透鏡」的現象,放大了星團背後更遙遠的星系。

圖中其中一些星系發出的光已經行進了 130 億年,才能到達望遠鏡面前。

JWST 不僅會對目標天體成像,而且還能將光分解成不同的波長。

因此,JWST 不僅可以聚焦遙遠的星雲、星系團甚至系外行星,讓我們看清以前從未見過的微小結構,還可以幫助研究人員瞭解星系的質量、年齡、歷史和成分。

▲ 圖片來自:NASA

這主要是因為,JWST 的原理與哈勃等望遠鏡不同,它基於紅外成像,觀測人眼不可見的電磁光譜區域(紅外區域)發出的光。

發揮作用的是近紅外光譜儀(NIRSpec)、中紅外儀器(MIRI)、近紅外相機(NIRCam)、近紅外成像儀和無縫攝譜儀(NIRISS)這四種科學儀器。

哈勃有部分紅外探測能力,但不如 JWST。

▲ 哈勃觀測猴頭星雲的可見光(左)和紅外視圖(右). 圖片來自:NASA and ESA

JWST 觀測到的紅外區域,對於繪製我們宇宙的時間線至關重要——由於宇宙在不斷膨脹,最古老稀有的恆星,以及被它們照亮的事物,只會以紅外光的形式出現在我們面前。

天文學家希望使用 JWST 探索宇宙歷史的每一個階段,從我們的太陽系內部到早期宇宙中最遙遠的可觀測星系,再到介於兩者之間的一切,幫助人類瞭解宇宙起源、星系演化和我們在其中的位置。

也就是説,我們有望觀測今天可見宇宙的初期狀態,看到在大爆炸後僅幾億年形成的首批星系,徹底改變我們所知道的天體物理學。

這張照片還只是預告,北京時間 7 月 12 日 22 時 30 分,NASA 將直播發布更多全綵圖像和數據,包括星雲、星系和太陽系外行星大氣。

迄今為止最昂貴的空間望遠鏡,不允許任何失誤

JWST 經過大約 25 年的發展,於 2021 年 12 月 25 日發射升空。

在此之前,它經歷了數十年的準備,計劃始於 1990 年代初期,以 NASA 第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名,預算為 5 億美元,在 2007 年投入使用

然而,JWST 的建造難度之大遠遠超出了 NASA 的預料,由於項目存在很多工程延誤和成本超支,JWST 在 2005 年進行了重大的重新設計,發射時間一拖再拖,直到 2021 年 JWST 終於有可能發射。

20 個國家持續 25 年的投入、數萬名科學家的傾力合作、各種挫折和多次推遲,種種因素造就了史上最貴的空間望遠鏡,JWST 造價接近百億美元

▲ 完全展開的 JWST(藝術渲染圖). 圖片來自:NASA

前沿科學燒錢,自然有燒錢的道理,它包括了更大口徑的鏡片、10 納米級別的鏡面材料、大小相當於網球場的遮陽板等等,其中很多是有且僅有的「孤品」,必須要 100% 的正確率。

簡言之,技術是突破性的,研發是孤注一擲的,體現在成本上也絕不是簡單的線性增長。

就算可以發射,JWST 太過龐大,不能直接以完整形態發射到太空,必須摺疊起來才能安裝在火箭上發射,只能發射後在遙遠的太空中完成各項調整,還不允許任何失誤。

光是在太空將遮陽板展開,就花費了兩週。

JWST 觀測組件的温度必須保持在 40K(-233.15℃)以下,才能看到微弱紅外光,遮陽板起到的就是控温作用。否則,觀測目標的信號會淹沒在來自望遠鏡本身、太陽、地球與月球的紅外輻射中。

▲ 遮陽板在發射前接受地面測試. 圖片來自:NASA

展開遮陽板的複雜體現在,每個關節必須完美執行,遮陽板才能被打開。整個 JWST 有多達 344 個單點故障,遮陽板包含其中的很大一部分,單點故障意味着一旦出現故障,那麼整個項目宣告失敗。2018 年測試期間薄膜的意外撕裂也是項目推遲的因素之一。
主鏡的校準同樣耗費了大量時間。

JWST 的主鏡,被設計為由 18 塊六邊形鏡片組成的「蜂窩狀」可摺疊反射鏡,這有助於它從所選目標捕獲大量紅外光。但是這些鏡片中的每一個(加上次鏡和其他組件)都需要精確調整,以使其中反射的圖像與其他反射鏡匹配和重疊。

▲ 動圖製作自:[email protected]

在過去的六個月裏,工程師和科學家一直在仔細調整望遠鏡的鏡面部分並校準其儀器。

如今,JWST 終於準備好了一切,開始為人類收集來自遙遠星系的光。

資料來源:愛範兒(ifanr)

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