从哈勃到韦伯，「宇宙之眼」是怎样炼成的？

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  新智元报道  

编辑：David、时光

【新智元导读】1月8日，NASA数次「跳票」的詹姆斯·韦伯太空望远镜天文终于完成部署，完美收官。18个六边形镜片拼在在一起，形成一个宽6.5米的镀金的「宇宙之眼」。

2022年1月8日，数次「跳票」的詹姆斯·韦伯天文望远镜终于部署完成。人类有史以来最大、最精密的太空望远镜发射完毕。

 

18个六边形镜片拼在在一起，形成一个宽6.5米的镀金的“宇宙之眼”，韦伯望远镜将以前所未有的宇宙观给太空科学带来一场革命。

 

 

18面镜子既像小姑娘们一边照着，一边做自己的事情，又像合唱一样，协同工作，有条不紊。

 

“韦伯望远镜的太空部署是历史性的成功。”美国宇航局韦伯项目主管格雷戈里·罗宾逊说。

 

 

这对全世界来说，都是一个了不起的壮举，是一个真正的历史性里程碑！

 

它的复杂工程包括部署遮阳板，这块风筝形状、网球场大小的遮阳板，是用来为望远镜遮挡太阳的热量。

 

它的复杂工程还包括放置望远镜的主镜和副镜位置，以捕捉来自恒星、星系和其他宇宙物体的光。

 

接下来的任务，仍然艰巨

太空部署已经完毕，接下来，这架最大的太空天文望远镜要做什么呢?

 

它仍然有许多复杂的调试工作要做，这个耗资100亿美元的设备面临着许多重大任务。美国宇航局特别指出，在接下来的几周，将校准它的反射镜和四个仪器。韦伯望远镜的工作才刚刚开始。

 

目前，韦伯任务小组现在正将注意力转向望远镜的目的地。韦伯正驶向它的新家，即距离地球约150万公里(不到100万英里)，位于一个被称为拉格朗日点的区域。

 

 

韦伯将在大约两周后到达L2（拉格朗日点2)，那里是其执行任务的理想位置。如果它到达了正确的区域，由于与太阳、地球和月球近乎完美的对齐，它可以用最少的燃料保持原地不动。

 

当进入L2之后，仪器会变得非常冷，这是它的理想工作环境，届时将启动各种科学仪器。

 

由于远离太阳和遮阳板，韦伯将在黑暗中工作，需要热追踪红外观测。红外线波长将使望远镜能够穿透尘埃，观察年轻的系外行星或遥远星系的内部，所有这些都是为了了解宇宙及其演化。

 

在开始返回结果之前，韦伯大约还需要五个月的时间，科学家们迫不及待地想看到第一批数据。

 

韦伯与哈勃，使命传承

1990年，哈勃太空望远镜发射升空，由于工程故障而不得不矫正近视。

 

时隔32年，韦伯太空望远镜于2022年初发射升空，成功抵达目的地，即一个被称为L2的空间重力稳定点。

 

在那里，它将研究宇宙中最遥远的星系、被尘埃包裹的新生恒星以及太阳系外行星等天文现象。

 

 

与哈勃望远镜不同，韦伯望远镜可以探测到红外线光，这使得它可以窥视到以前未被探索的领域。

 

它将发现来自宇宙深处的微弱热信号，这就是为什么它要求在极低的温度下工作。

 

韦伯的遮阳板是达到这种低温的关键，这就是为什么科学家对于打开遮阳板并放到合适位置非常慎重。

 

打开遮阳板首先要撑开两个矩形托盘，然后展开保护罩，将它拉成风筝状，最后拉紧它的五层薄纱。

 

这一过程在地球上的实验室进行了数次测试，但从未在太空的零重力环境中进行测试。

 

光子在韦伯望远镜的镜片之间跳跃，使其成为一个可操作的天文台。

 

韦伯望远镜都能干什么？

韦伯望远镜的试验先后花了30余年的时间，NASA一再追加预算，欧洲和加拿大的太空机构也是这个项目的合作伙伴。现在，研究人员终于松了一口气，迎来了举杯相庆的时刻。它将接过哈勃望远镜的接力棒，继续探索浩瀚宇宙的奥秘。

 

红外光探测

 

哈勃望远镜是用来探测可见光和紫外光的。处于形成早期的星系确实会发出可见光，但由于观测距离太长，可见光的波长会因「红移」被拉伸到电磁光谱的红外部分，相当于红外光。 

 

麦考林当时是苏格兰爱丁堡大学的博士生，他是开发早期红外探测器的科学家之一。他表示，在上世纪 80 年代，要获得红外图像，一个探测器一次只能扫描一个像素，形成图像非常费时。

 

自哈勃望远镜设立早期到现在，这项技术已经取得了长足的进步，詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外光探测精度大大提升。

 

 

据说，韦伯望远镜上的红外探测器有 2000 x 2000 像素，这比哈勃发射时的光学像素多得多。

 

红外成像分辨率的提升，对于宇宙最远距离成像至关重要。哈勃太空望远镜只能粗略估计一个大概，诸如星系的年龄和化学成分，而韦伯望远镜则可以进行精确的计算。

 

观测早期宇宙的形成

 

早期恒星和星系形成之谜一直困扰着大家，韦伯望远镜将为早期宇宙观测提供最佳视角。

 

当涉及到遥远的星系时，哈勃望远镜的长波观测能力不再凑效，导致探测结果不确定。

 

有科学家认为，韦伯望远镜可以解决这个问题，确切地说，可以看到宇宙大爆炸 2.5 亿年后的星系形成。

 

宇宙中的化学元素变化

 

爱丁堡皇家天文台的科学家 Olivia Jones 最感兴趣的是，这些早期恒星死亡时会发生什么？将它们的物质释放到周围环境中，从而产生新的恒星？

 

天文学家知道，早期宇宙的化学成分与今天截然不同。宇宙早期的物质仅含由氢、氦和少量的锂组成。我们现在看到的所有其他化学元素，包括那些为生命孕育和进化提供条件的元素，都是在这些恒星内部经过亿万年的演化而成的。 

 

猎户座星云是一个著名的恒星形成区。詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够透过尘埃看到它的心脏

 

韦伯望远镜上的分光镜，能够探测那些早期星系的「化学厨房」，了解单个恒星内部正在做些什么「美食」，而当这些恒星以强大的超新星形式发生爆炸时，又将会为更广阔的宇宙提供了什么元素。 

 

就像科学家所认为的那样，过去我们只是在星系尺度上研究整个过程，但有了韦伯望远镜之后，我们可以专门考察单个恒星了。

 

透过尘埃，直达恒星形成区域

 

韦伯望远镜具有强大的红外穿透能力，它能够穿透尘埃，进入隐藏的星云、星系和恒星的区域中心。 

 

恒星正在像猎户座星云一样诞生，人们无法在可见光中看到它们，因为光线会被宇宙尘埃吸收。

 

 

以前的红外天文台规模小，看不到很远。而且，多个目标混在一起。

 

如今，韦伯望远镜看到更遥远的星系，并将众多目标单独分开，且能观察整个过程。

 

詹姆斯韦伯太空望远镜还将观察一些更近的目标，例如构成柯伊伯带的彗星和小行星。 

 

外太阳系和系外行星探索

有了韦伯望远镜，我们可以从地球向外看，观察火星、木星、土星等行星，也可以观察柯伊伯带。

 

柯伊伯带是彗星、小行星和其它碎片天体的储存库，其环绕外太阳系海王星之外的轨道。

 

这是一个黑暗寒冷的地区，很难探索，因为这些天体反射的光很少。 

 

 

这些天体温度很低，反射的光很少，需要大型红外望远镜才能完成，韦伯望远镜可以对柯伊伯带天体进行出色的光谱分析。

 

自提出韦伯太空望远镜的构想以来，天文学家一直在不断探索，终于从最初构想的变成了实现。

 

 

韦伯望远镜不仅能够发现更多星球，而且能够提供关于它们更详实的细节。

 

科学家预测，10年后，将由它产生许多突破性的天文发现，而这，可能来自今天完全未知的领域。

参考资料：

https://www.nature.com/articles/d41586-022-00035-4

https://www.space.com/james-webb-space-telescope-steps-after-deployment

https://www.sciencealert.com/in-a-historic-milestone-webb-has-successfully-fully-deployed-now-what