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2022-07-13 16:37
NASA宇宙级“买家秀”,就问你百亿美元值不值?

本文来自微信公众号:果壳 (ID:Guokr42),作者:水兄,题图来自:视觉中国


北京时间7月12日晚,詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST,以下简称韦布望远镜)的首批科学图像正式亮相,它们向我们展示了一个全新的宇宙。


美国航天局公布的詹姆斯·韦布空间望远镜首批科学图像 | NASA/ESA/CSA/STScI


这一刻,几乎所有人都觉得,25年的漫长等待值了,100亿美元的超额花费值了!


我们不妨先分别用一句话概括首批公布的5张图片:


  • 星系团 SMACS 0723:一臂之远的一粒沙子中竟然包含了上千个星系;

  • 系外行星 WASP-96b:首次详细揭示了太阳系外行星大气中水的特征;

  • 行星状星云 NGC 3132:展示了垂死恒星的华丽谢幕;

  • 斯蒂芬五重奏星系:拨开云雾,透视了超大质量黑洞附近的气体的速度与组成;

  • 船底座星云:透过浓密尘埃瞥见新恒星的诞生。


詹姆斯·韦布空间望远镜 | NASA


为什么选择这些目标?


韦布望远镜是美国航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)、加拿大航天局(CSA)共同研发的新一代空间望远镜,不仅被认为是哈勃空间望远镜的“继任者”,更被认为是“史上最强望远镜”。


早在哈勃望远镜发射前一年,也就是1989年,天文学家就在讨论“下一代空间望远镜”的概念了,计划建造一台口径更大、工作在红外或极紫外波段的空间望远镜,与哈勃望远镜形成互补。


韦布空间望远镜(左)与哈勃望远镜(右)的外观对比 | NASA


1996年,韦布望远镜开始研制。这是人类设计过的最大、最复杂的空间望远镜,在它身上应用了多项最尖端的科学技术,如折叠的拼接式镜片、可自动展开的薄膜型遮光罩、低温促动器、轻量化光学元件、超精细摄谱仪、全新的热控技术等等。


它的主镜口径达到6.5米,是哈勃的2.7倍;遮光罩展开后长达21米,相当于网球场大小;它工作在波长为0.6~28.5微米的红外波段。


韦布望远镜(右)与哈勃望远镜(左)的主镜对比 | NASA


这些都意味着韦布望远镜有着非同寻常的科学目标——


  1. 早期宇宙——拥有红外视觉的它,将成为一台强大的“时间机器”,可以回溯到135亿年前,看到宇宙诞生后不久,在黑暗中形成的第一代恒星和星系;


  2. 星系演化——超大镜面和超灵敏的红外探测设备将捕捉到到最微弱、最早的星系“化石”,它们与当前宇宙的星系进行比较,可帮助我们了解数十亿年来星系如何演化;


  3. 恒星一生——红外线具有穿透尘埃的本领,这让韦布望远镜具备了一副“火眼金睛”,看穿隐藏在尘埃之下,恒星与行星是如何诞生的;


  4. 系外行星——韦布望远镜将告诉我们更多关于系外行星大气层的信息,并依此判断宇宙中其他地方是否存在产生生命活动的最基础条件。


如此宏伟的科学目标和巨大的工程难度,使得韦布望远镜的研制过程异常艰难。最初计划2007年发射的它,直到2021年圣诞节,才终于如愿起飞,因此它也被许多爱好者戴上了“鸽王”的帽子。


韦布望远镜的展开过程 | NASA


在经过了150万公里的长途跋涉,约360个展开动作后,韦布望远镜终于进入到自己的工作轨道。又经历了长达数月的一系列复杂的镜片校准和仪器测试,它才终于准备就绪。


韦布望远镜的工作轨道,距离地球150万公里 | Dr. James O'Donoghue


当科学家看到它传回的第一张照片时,现场一片欢腾,甚至有人被直接感动落泪。韦布望远镜的成像质量甚至比预期的还要好!


韦布望远镜开工啦!| NASA


首批公布的5张图片,可以说是全面展现了韦布望远镜的卓越性能,为我们呈现了一个前所未见的宇宙。


星系团 SMACS 0723


这是韦布望远镜的首张深场图像,显示的是一个编号为 SMACS J0723.3−7327 的星系团(可缩写为 SMACS 0723)


星系团 SMACS 0723 | NASA/ESA/CSA/STScI


它由数百个星系共同组成,距离地球大约46亿光年——也就是说,韦布望远镜收集到的这些光子,在它们从星系团启程出发时,我们的地球才刚刚诞生!


图中容易吸引人眼球的,是一颗光芒万丈的星星。然而,它不过是银河系中一颗不知名的暗弱恒星,只是由于离我们较近,才一不小心成功抢戏。


在那颗亮星的下方,图片的中央,你能见到几个明亮的、白色的、呈现圆形或椭圆形的斑点,它们就是星系团的成员。



上图细节,注意那些扭曲的红色弧线,那是被星系团引力透镜放大的更遥远的星系 | NASA/ESA/CSA/STScI


在星系团的周围,你或许已经注意到有几十条细长而弯曲的弧线,像融化了的太妃糖。它们事实上是更遥远的星系——远至 100 多亿光年外。


它们原本躲在 SMACS 0723 的身后,不过,SMACS 0723 强大的引力作用,使周围时空发生扭曲,将远方星系路过的光掰弯了,于是呈现出多个重复的像,犹如透过一个凸透镜进行观察。


这种现象叫“引力透镜效应”


星系团 SMACS 0723 部分背景星系的特征谱,它们距离我们都超过100亿光年 | NASA/ESA/CSA/STScI


当我们继续环顾四周,会发现这张图片中密密麻麻遍布着数千个模糊的亮斑。它们都是完整的星系,每一个都拥有上千亿颗恒星。它们大多位于几十亿光年以外,个别呈现暗红色的星系,距离我们达到了130亿光年。


它们呈现的,是宇宙儿童时期的样子。


韦布分辨出了131亿光年之外一个星系的物质构成,存在氢、氖、氧等元素 | NASA/ESA/CSA/STScI


值得一提的是,哈勃空间望远镜也拍摄过同一天区,然而哈勃深场图通常累计曝光时间长达数天甚至两周,而拥有巨大镜面的韦布望远镜,仅花了12.5个小时,效果就超过了哈勃。


上图细节(左排)与哈勃望远镜拍摄同一天区(右排)的对比 | NASA/ESA/CSA/STScI/c_victor_astro


系外行星 WASP-96 b


WASP-96是一颗距离地球约1100光年的类太阳恒星,拥有一颗不同寻常的行星 WASP-96 b。据推测,这颗行星距离恒星只有700万公里,每3.4天就公转一周,其大小与木星相当,但质量只有木星的一半。


根据这些信息判断,这应该是一颗所谓的热木星,大气层顶部应该非常热,可达为1000°C,这样的高温使得大气膨胀。


太阳系外行星WASP-96 b的想像图,就连韦布望远镜也无法直接拍到它的影像 | Astronomy.com


更重要的是,从地球上看,这颗行星每一圈公转都会从恒星前面经过,这种现象称为凌日。此时,恒星发出的光将先穿过这颗行星的上层大气,才能到达地球。


行星大气中的原子和分子会吸收特定波长的光。如果把恒星的光分解成像彩虹一样的光谱,就会发现光谱上留下了额外的暗线。这被称为吸收线,是那颗行星大气成分的印迹。


类太阳恒星 WASP-96的光谱,透露了绕它旋转的行星WASP-96 b的大气成份 | NASA/ESA/CSA/STScI


这张图片事实上是行星WASP-96 b 发生凌日时类太阳恒星 WASP-96 的光谱。从图中我们看到WASP-96 b 大气中存在显著的水蒸气。记录到的数值波动还反映出行星大气中含有云和霾的特征。


韦布望远镜强大的光谱分辨本领,让我们获得了有史以来最清晰的系外行星大气成分的数据。



通过凌星探测行星大气成分的原理 | 本文作者


这张图片验证了韦布望远镜观测系外行星的能力。通过这种方法,我们有望获得更多关于系外行星大气的信息,从而判断该行星是否宜居,甚至侦测其有无生命活动迹象。


行星状星云 NGC 3132


NGC 3132 是一个行星状星云,距离地球约 2000 光年,又被称为南天环状星云。


它的前身是一颗类似太阳的恒星,核心燃料耗尽后快速膨胀成为一颗红巨星。最终外层物质扩散脱离星体,核心则坍缩成白矮星,核心外围的物质以更高的温度、更快的速度被推出去。


这就是它形成的过程。


行星状星云 NGC 3132的近红外影像 | NASA/ESA/CSA/STScI


上图由韦布望远镜的近红外相机(NIRCAM)拍摄,由低温分子气体和尘埃组成的外层物质用橙色表示,中间的蓝绿色则是更热的等离子体。图中能看出,外层物质的结构非常厚实且复杂。


行星状星云 NGC 3132的中红外影像 | NASA/ESA/CSA/STScI


这张图片则由韦布望远镜的中红外相机(MIRI)拍摄。更长的波长让我们发现,NGC 3132 的中心实际上是两颗恒星,另一颗恒星还没有走到生命的终点。


行星状星云 NGC 3132 局部,透过星云能看到更遥远的星系 | NASA/ESA/CSA/STScI


如此精细的结构有助于我们了解像太阳这样的恒星死亡时的情况,了解上一代恒星抛射出去的物质如何“化作春泥”成为下一代恒星形成所需的养料。


有趣的是,红外线对尘埃具有一定穿透力,这让我们清楚地看到了星云背后十分遥远的星系。


同样是南天环状星云,韦布望远镜的拍摄效果远远超过哈勃望远镜 | NASA/ESA/CSA/STScI/Alain Mir


斯蒂芬五重奏星系


斯蒂芬五重奏星系本身就是一个非常有魅力的目标。


实际上它由两部分组成:其中4个星系构成一个相互作用的小星系群,距离地球约3亿光年;另一个为前景星系,也就是画面左侧那个,离地球只有4000万光年,跟其他4个没有物理上的关联。


近红外相机拍摄的斯蒂芬五重奏星系 | NASA/ESA/CSA/STScI


上图为近红外相机拍摄的图像,显示了该星系群中相对较冷的气体和尘埃。红色部分是在NGC 7318 a 和 b (画面中央)两个星系剧烈碰撞过程中被甩出去的物质。经过一段时间冷却后,这些物质有机会形成新的恒星。


中红外相机拍摄的斯蒂芬五重奏星系 | NASA/ESA/CSA/STScI


而在中红外图像上,NGC 7139 (上方)星系中心显得非常明亮。这意味着,我们看到的是来自一个超大质量黑洞外围的光芒。这个黑洞正在贪婪地吞噬着星系核心的气体和尘埃,这些物质在下落过程会升温并发出强烈的电磁辐射。


相比于哈勃拍摄的斯蒂芬五重奏星系,韦布的照片更清晰地显现出了星系中的气体和尘埃 | NASA/ESA/CSA/STScI/Philippe Smet


船底座星云


在船底座的南部,有一个弥漫着气体和尘埃的巨大星云,叫作船底座星云(Carina Nebula)。它距离地球大约7000光年,是银河系最活跃的恒星形成区之一。


近红外相机拍摄的船底座星云 | NASA/ESA/CSA/STScI


这张图同样也是近红外相机所拍。山峦一样的结构是星云里的气体和尘埃。画面顶端显示出一些质量巨大、非常明亮的恒星,它们吹出的星风侵蚀着气体和尘埃,将它们一路向西推,就像海浪冲刷着沙滩一样,留下了泾渭分明的界线。


这张照片也被很多网友认为是首批5套图片中最美的一张。很多人的电脑桌面、待机画面、封面都已经换成了这张照片。



中红外相机拍摄的船底座星云 | NASA/ESA/CSA/STScI


韦布望远镜的中红外相机同样也拍摄了船底座星云。图片中粉红色和红色的,是正在诞生或刚刚诞生的恒星。


它们中一部分产生了强烈的辐射和星风,将包裹自己的气体吹走,于是形成了气泡或空腔;而另一些仍然被形成它们的尘埃物质深深包裹着。


事实上,这一过程只会持续5万年至10万年,这在恒星的一生中堪称一瞬,韦布望远镜以其极高的灵敏度捕捉到了这一美妙时刻。


船底座星云的同一个局部,韦布的图像比哈勃通透得多 | NASA/ESA/CSA/STScI/Alain Mir


星空之美,美不胜收;宇宙之妙,妙不可言。韦布望远镜的首批照片把我们带入了梦境般的宇宙深处,令人陶醉不已。


然而,这仅仅是个开始。


我们有理由相信,韦布望远镜会将我们对宇宙的认知推向一个前所未有的高度,让我们的视野推向无尽的远方。


本文来自微信公众号:果壳 (ID:Guokr42),作者:水兄

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