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壯美！韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)布首批5張宇宙深空全彩照片

2022/07/13
導(dǎo)讀
一個(gè)充滿(mǎn)驚喜的黃金年代正在撲面而來(lái)
    7.13
知識(shí)分子The Intellectual

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）向世人獻(xiàn)上了第一批5張高分辨率全彩科學(xué)圖像


   編者按

隨著昨晚韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)布首批5張照片，有關(guān)投資100億美金值不值的爭(zhēng)論已經(jīng)變得不太重要，人們的目光這次聚焦到了更為古老和久遠(yuǎn)的宇宙深處......

撰文 | 程亦之

責(zé)編 | 邸利會(huì)


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有史以來(lái)最強(qiáng)大、最昂貴的太空望遠(yuǎn)鏡終于開(kāi)花結(jié)果，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）向世人獻(xiàn)上了第一批5張高分辨率全彩科學(xué)圖像。


宇宙深空?qǐng)?/strong>

圖1 美國(guó)宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡提供了迄今為止最深、最清晰的遙遠(yuǎn)宇宙紅外圖像。韋伯的第一個(gè)深場(chǎng)是星系團(tuán) SMACS 0723，它充滿(mǎn)了數(shù)千個(gè)星系——包括在紅外線(xiàn)中觀(guān)察到的最微弱的物體 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI


美國(guó)東部時(shí)間7月11日傍晚，NASA最先發(fā)布的是韋伯版宇宙深空?qǐng)?，相比于哈勃版宇宙深空?qǐng)龈逦⒏钸h(yuǎn)。按照官方說(shuō)法，這是迄今宇宙最深、最清晰的紅外圖像。

在這張圖像中數(shù)百個(gè)白色、黃色、橘色和紅色的光點(diǎn)、條紋、螺旋和漩渦，都只是宇宙的一小部分，這些星光早在130億年前發(fā)出，如今被韋伯望遠(yuǎn)鏡捕捉到。

宇宙大爆炸是在138億年前發(fā)生的。換句話(huà)說(shuō)，這張圖像里的星系幾乎回溯到宇宙誕生的早期，是人類(lèi)目前為止對(duì)宇宙最古老的記錄。

之所以韋伯望遠(yuǎn)鏡能夠看得如此遙遠(yuǎn)與古老，有賴(lài)于照片主角——一個(gè)巨型星系團(tuán)，天文編號(hào)SMACS 0723，位于南半球天區(qū)飛魚(yú)座，距離我們僅有46億光年，相對(duì)于整個(gè)可觀(guān)測(cè)宇宙直徑930億光年來(lái)說(shuō)，并不算遠(yuǎn)。

由于這個(gè)星系團(tuán)質(zhì)量巨大，引力足以造成星光路徑的彎曲，產(chǎn)生了引力透鏡效應(yīng)（Gravitational Lensing），將更遙遠(yuǎn)星體的光放大，這相當(dāng)于天文望遠(yuǎn)鏡的變焦鏡頭，從而讓韋伯望遠(yuǎn)鏡得以捕捉到130億年前，更遙遠(yuǎn)星系所發(fā)出的光芒。

負(fù)責(zé)尋找此類(lèi)古老星系的NASA天文學(xué)家凱西（Caitlin Casey）解釋稱(chēng)，觀(guān)測(cè)和拍攝所運(yùn)用的深空?qǐng)?/span>（Deep Field）技術(shù)，就是將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)同一片天空，透過(guò)上百小時(shí)、數(shù)百次的曝光疊加，由此拍下遙遠(yuǎn)天體的微弱光芒，從而將這張絢爛多彩的宇宙深空?qǐng)龀尸F(xiàn)在世人眼前。

之前的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡就是透過(guò)這種方式拍下深空?qǐng)稣掌?，辨識(shí)出許多人類(lèi)未曾見(jiàn)過(guò)的星系，如今韋伯望遠(yuǎn)鏡憑借更強(qiáng)大的紅外探測(cè)和極高的分辨率，能夠在哈勃望遠(yuǎn)鏡辨識(shí)出1萬(wàn)個(gè)星系的天區(qū)，觀(guān)測(cè)到100萬(wàn)個(gè)星系。這張韋伯深空?qǐng)隹傆?jì)曝光時(shí)間12.5小時(shí)，比哈勃望遠(yuǎn)鏡數(shù)周的曝光時(shí)間，大為縮短，但拍得更多更清晰。

負(fù)責(zé)韋伯望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)任務(wù)的天文學(xué)家簡(jiǎn)·里格比（Jane Rigby）表示，建造韋伯望遠(yuǎn)鏡的核心目標(biāo)，就是尋找大爆炸之后形成的第一代星系，而這張觀(guān)測(cè)照片在視覺(jué)與科學(xué)上都展現(xiàn)了令人瞠目結(jié)舌的美麗與力量，不久的將來(lái)有望探知更多更早期的初代星系。

除了尋找古老星系外，韋伯還有另一項(xiàng)任務(wù)，就是探測(cè)太陽(yáng)系外行星以及恒星演化過(guò)程， 一窺恒星誕生與死亡。

在發(fā)布第一張照片后，美國(guó)東部時(shí)間7月12日上午，NASA又一連串發(fā)布了4張韋伯杰作：船底座星云、南環(huán)星云、系外行星WASP-96b、斯蒂芬五重奏星系。

奇美的恒星幼兒園


船底座星云（Carina Nebula）：船底座星云是哈勃望遠(yuǎn)鏡拍下的一個(gè)經(jīng)典目標(biāo)，不過(guò)，透過(guò)韋伯望遠(yuǎn)鏡讓我們領(lǐng)略到另一個(gè)版本的星云照。


船底座星云堪稱(chēng)天空中最大、最亮的星云之一，距離我們大約7600光年。它由巨大的氣體云和塵埃云構(gòu)成，新一代的恒星正在孕育形成。也就是說(shuō)，這里是恒星的搖籃。

由于這些恒星幼兒園，往往被濃密的氣體與塵埃所包圍，當(dāng)天文學(xué)家使用可見(jiàn)光觀(guān)測(cè)時(shí)，往往只能看到黑壓壓一片，難以窺探在云氣神秘的核心之中，恒星究竟是怎么演化的。這時(shí)最擅長(zhǎng)紅外觀(guān)測(cè)的韋伯優(yōu)勢(shì)再次展現(xiàn)。由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，紅外線(xiàn)比可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)，更能夠穿過(guò)層層的星際云氣而不被吸收，因此可以幫助天文學(xué)家直擊初生恒星的核心區(qū)域。

圖2
NGC 3324于1826年由 James Dunlop 首次編目。從南半球可見(jiàn)，它位于船底座星云 (NGC 3372) 的西北角，該星云位于船底座
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圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI

透過(guò)這張韋伯版的船底座星云，我們不僅看到了正在形成中的恒星，也會(huì)被奇美的氣體云和塵埃所吸引。天文學(xué)家稱(chēng)之為 “宇宙礁” 或 “宇宙懸崖”，這是一種由下半部塵埃和上半部氣體形成的明顯分界線(xiàn)。韋伯望遠(yuǎn)鏡的主要科學(xué)目標(biāo)之一就是研究恒星是如何形成的，而船底座星云無(wú)疑是一個(gè)絕佳的研究目標(biāo)。

盡管數(shù)十年來(lái)，天文學(xué)家對(duì)于恒星的類(lèi)型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、演化歷程都有了相當(dāng)詳細(xì)的了解，然而，星際間彌漫的云氣究竟是如何聚集成一顆顆的恒星及其周?chē)男行窍到y(tǒng)，卻還有很多不清楚的地方。強(qiáng)大無(wú)比的韋伯望遠(yuǎn)鏡有望讓人類(lèi)看清這一切。

一睹五十億年后的太陽(yáng)殘影
南環(huán)星云（Southern Ring），又稱(chēng)八字星云（Eight-Burst Nebula），屬于行星狀星云（圍繞一顆垂死恒星的膨脹氣體云），直徑接近半光年，距離我們約2000光年。

星云圍繞一顆與我們太陽(yáng)很相似的恒星，由于外層氣殼發(fā)出的輝光，而贏得八字星云、南環(huán)狀星云的稱(chēng)號(hào)。

透過(guò)韋伯拍下的近紅外、中紅外光譜圖像，讓我們有幸一睹行星狀星云更清晰的結(jié)構(gòu)肌理，五十億年后的太陽(yáng)殘影。韋伯就像一部宇宙攝影機(jī)，追蹤恒星的一生，記錄下其如何誕生，又如何消亡。

圖3 韋伯上的兩臺(tái)相機(jī)拍攝了這個(gè)行星狀星云的最新圖像，編號(hào)為NGC3132，非正式地稱(chēng)為南環(huán)星云。它距離我們大約2,500光年 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI


一眼看透系外行星
很遺憾這不是驚艷的宇宙神圖，而是一張紅外光譜圖，屬于一顆編號(hào)為WASP-96b系外行星的大氣光譜分析圖。

韋伯望遠(yuǎn)鏡另一項(xiàng)使命就是透過(guò)大氣光譜研究系外行星，從而告訴我們一些關(guān)鍵信息，比如這顆系外行星由什么構(gòu)成的，移動(dòng)速度有多快，溫度有多高等等。

圖4 近紅外成像儀和無(wú)狹縫光譜儀的這項(xiàng)觀(guān)測(cè)表明，韋伯有能力詳細(xì)描述系外行星的大氣層——包括可能適合居住的行星的大氣層 | 圖源：NASA、ESA、CSA 和 STScI


韋伯望遠(yuǎn)鏡能夠以驚人的精確度識(shí)別大氣中的分子。透過(guò)這張圖，我們可以看到清晰的水蒸氣標(biāo)記，WASP-96b并不適合孕育生命，因?yàn)槠潆x母星太近，溫度太高。

這顆氣態(tài)巨行星貌似木星，但質(zhì)量大約只有木星的一半，距離地球近1150光年，每3.4天繞母恒星公轉(zhuǎn)一次。

韋伯望遠(yuǎn)鏡能夠讓天文學(xué)家對(duì)系外行星的認(rèn)識(shí)，不再只有多大、多重、多遠(yuǎn)這些淺顯的描述，而是能夠知道大氣的組成、溫度與垂直結(jié)構(gòu)，以及隨著季節(jié)、軌道半徑等其他因素的變化，進(jìn)而深入了解這些外星世界，甚至是尋找生命可能存在的跡象。

2.9億光年外的宇宙群舞

圖5 斯蒂芬五重奏位于飛馬座，由法國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德華·斯蒂芬于1877年發(fā)現(xiàn) | 圖源：NASA, ESA, CSA, and STScI


斯蒂芬五重奏星系（Stephan’s Quintet）位于飛馬座，距我們大約2.9億光年之遙，它是有史以來(lái)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)致密星系群，早在1877年由法國(guó)天文學(xué)家E·斯蒂芬發(fā)現(xiàn)。這幅大片是韋伯目前為止拍下的最大圖像，超過(guò)1.5億像素，由近1000個(gè)獨(dú)立圖像文件構(gòu)成。五個(gè)星系中的四個(gè)被鎖定在一起，形成親密接觸的宇宙群舞。有朝一日終將融為一體，這是研究星系合并與相互作用的絕佳第一手資料。

透過(guò)這張宇宙群舞照片，還會(huì)幫助科學(xué)家了解超大質(zhì)量黑洞進(jìn)食狀態(tài)以及生長(zhǎng)速度。韋伯望遠(yuǎn)鏡還能更直接地觀(guān)察恒星形成區(qū)域，并能檢測(cè)塵埃噴發(fā)——這是在此之前無(wú)法獲得的珍貴細(xì)節(jié)。

從哈勃到韋伯，一代更比一代強(qiáng)
作為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者，韋伯后浪推前浪。

首先，它硬件很硬，其口徑達(dá)6.5米，而哈勃望遠(yuǎn)鏡只有2.4米。聚光面積高達(dá)25平方米，而哈勃只有4.3平方米。韋伯主鏡面積是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。

哈勃最大極限可以看到宇宙大爆炸后4.8億年的景象，而韋伯至少能夠觀(guān)測(cè)到宇宙誕生2億年時(shí)的景象。韋伯能看到更遙遠(yuǎn)更古老的宇宙，有望探測(cè)宇宙早期模樣，發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸后形成的第一批恒星、星系。

此外，韋伯的主鏡強(qiáng)大無(wú)比。

它的18塊六角形反射鏡，由稀有金屬鈹制成，表面涂有一層薄薄黃金，每個(gè)鏡面的拋光誤差均不超過(guò)10納米。更先進(jìn)的地方，其每塊鏡片背部都裝有7個(gè)馬達(dá)，能在10納米的精度內(nèi)調(diào)整鏡片的形狀和方向。

韋伯的主體不呈筒狀，而是在主鏡下展開(kāi)座席狀的遮光板。這意味著，聚光部分和鏡面部分全都裸露在外，觀(guān)測(cè)范圍非常寬闊。

韋伯代表著21世紀(jì)第二個(gè)十年的最高科技水準(zhǔn)，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡則代表20世紀(jì)80年代的水平，可想而知兩者的差距。

單從紅外波段上的觀(guān)測(cè)能力衡量，韋伯望遠(yuǎn)鏡要比哈勃望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大16倍，綜合觀(guān)測(cè)能力提升100倍。不過(guò)，它倆并不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，只會(huì)互通有無(wú)、攜手合作，共同探索未知的宇宙。

如果哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最長(zhǎng)持續(xù)工作到2040年，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡至少科學(xué)觀(guān)測(cè)20年，樂(lè)觀(guān)估計(jì)他倆會(huì)有20年的聯(lián)袂黃金時(shí)段。

回看哈勃望遠(yuǎn)鏡30多年來(lái)，帶給我們一個(gè)個(gè)驚喜，不難預(yù)見(jiàn)，未來(lái)韋伯望遠(yuǎn)鏡還會(huì)賜給人類(lèi)別樣的宇宙禮物。

一個(gè)充滿(mǎn)驚喜的黃金年代正在撲面而來(lái)?；?00億美金造這臺(tái)神器，值得！


 參考文獻(xiàn)：

1. James Webb: Nasa space telescope delivers spectacular pictures By Jonathan Amos

2. NASA’s Webb Sheds Light on Galaxy Evolution, Black Holes By Rob Garner

3. Webb telescope peers deeper into the universe than ever before By Stephen Clark

4. 淺談 JWST 的科學(xué)意義：探索宇宙深處與塵埃后的外星世界！林彥興著

5. 最棒的圣誕禮：最強(qiáng)最貴最難產(chǎn)的太空望遠(yuǎn)鏡，終于開(kāi)啟發(fā)現(xiàn)之旅 三體引力波著

制版編輯 | 姜絲鴨



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