陳根：精密工程的奇跡，我們?yōu)槭裁葱枰f伯望遠(yuǎn)鏡？

陳根談科技 2023-01-11 發(fā)布于陜西

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文/陳根

太空中充滿了運(yùn)動(dòng)。在宇宙中，太陽(yáng)每秒會(huì)減少400萬(wàn)噸的質(zhì)量，同時(shí)約有4800顆新恒星誕生，約有10顆恒星爆炸形成黑洞或中子星。外緣處，宇宙持續(xù)膨脹了9億年。我們今天之所以能觀察到太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，而不是像過(guò)去幾個(gè)世紀(jì)的天文學(xué)家只能看到遙遠(yuǎn)的物體懸掛在黑色的天空上一樣，是因?yàn)槲覀兘柚顺?jí)望遠(yuǎn)鏡，這讓宇宙的奇觀生動(dòng)地展現(xiàn)出來(lái)。

地球軌道上的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的誕生曾揭示了許多有關(guān)宇宙的奇妙信息，自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡之后，美國(guó)、歐洲和加拿大又合作成功將詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡送上太空。作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡被天文學(xué)家寄予希望去探測(cè)更多有關(guān)宇宙起源的奧秘。在《麻省理工科技評(píng)論》最新的 2023 年“十大突破性技術(shù)”榜單中，作為作為精密工程的奇跡，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡也名列在榜。

從哈勃望遠(yuǎn)鏡到韋伯望遠(yuǎn)鏡

地球軌道上的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)目的，是讓我們?cè)谟^察遙遠(yuǎn)的星系、恒星和大多數(shù)行星時(shí)能有更清晰的視野，人類觀測(cè)到的宇宙最古老星系GN-z11就是由哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的。

哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)天文學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域——從太陽(yáng)系到宇宙邊緣的天體，都產(chǎn)生了重大的影響。其觀測(cè)結(jié)果也為數(shù)萬(wàn)篇科技論文提供了數(shù)據(jù)支撐。

正是基于哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，天體物理學(xué)家們才得以首次證實(shí)宇宙膨脹的速度比以往更快。這一獲得諾貝爾獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)讓每個(gè)人都仔細(xì)思考宇宙中的物體是如何演化的，以及它們的年齡有幾何。最終，它可能有助于我們更好地理解宇宙的命運(yùn)。并且，哈勃望遠(yuǎn)鏡更為精確地估算了宇宙的年齡約在130億到140億歲之間；并幫助科學(xué)家了解了行星的成因，由此證實(shí)了行星普遍存在于宇宙中的假設(shè)；此外，哈勃望遠(yuǎn)鏡還幫助人們尋找類地行星。

但隨著哈勃望遠(yuǎn)鏡的老舊，空間光學(xué)卻發(fā)展到了更高水平的圖像遙測(cè)，人們需要更加精密的太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)繼任哈勃望遠(yuǎn)鏡。韋伯太空望遠(yuǎn)鏡就是這個(gè)繼任者。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)與制作是對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的一次巨大升級(jí)。哈勃望遠(yuǎn)鏡是可觀測(cè)到紫外線的光學(xué)攝影望遠(yuǎn)鏡，也就是說(shuō)，它捕獲的是宇宙中可見的影像；而韋伯望遠(yuǎn)鏡是紅外望遠(yuǎn)鏡，且鏡面比哈勃望遠(yuǎn)鏡要大很多，這意味著，韋伯望遠(yuǎn)鏡更容易收集光線，可以追溯到更遠(yuǎn)的時(shí)間、收集更多天體的圖像。

此外，為了能夠看得更遠(yuǎn)，韋伯的主鏡比哈勃要大近3倍。韋伯望遠(yuǎn)鏡將使用的主鏡直徑為6.5米，是有史以來(lái)送入太空最大的望遠(yuǎn)鏡。事實(shí)上，正因?yàn)樗睆胶艽?，必須通過(guò)折疊的方式才能放進(jìn)火箭發(fā)射倉(cāng)中，在太空中打開需要兩周時(shí)間，就像把做好的折紙一步步還原。韋伯的主鏡由18塊1.3米的六邊形鏡片組成，主鏡的品控要求極高，每面主鏡可以允許的最大誤差僅為25納米。

韋伯項(xiàng)目還誕生了一些獨(dú)特的工業(yè)技術(shù)，比如它的遮陽(yáng)板，這種柔軟、輕薄、不漏光且能抵御兩側(cè)200多度溫差的材料，首次因韋伯而制造。為了避免自身輻射產(chǎn)生的紅外光子造成的干擾，以及保護(hù)它不受太陽(yáng)光的照射，韋伯望遠(yuǎn)鏡攜帶了五層輕薄的聚酰亞胺遮陽(yáng)板。

韋伯望遠(yuǎn)鏡比較特別的是它的軌道。它不是像“哈勃”那樣繞著地球轉(zhuǎn)圈，而是被發(fā)射到離地球150萬(wàn)千米的第二拉格朗日點(diǎn)——這是引力和軌道力學(xué)的奇妙巧合點(diǎn)。在這個(gè)拉格朗日點(diǎn)上，太陽(yáng)和地球引力的平衡正好有利于望遠(yuǎn)鏡沿既定的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡和地球的距離很遠(yuǎn)，而且距離幾乎保持不變，所以可以用一面簡(jiǎn)單的多層太陽(yáng)擋光板來(lái)避開太陽(yáng)、地球和月球的強(qiáng)光，以降低望遠(yuǎn)鏡本體的溫度。

可以說(shuō)，韋伯望遠(yuǎn)鏡是人類迄今為止制造的最大、最復(fù)雜、最強(qiáng)勁、最具有想象力的太空望遠(yuǎn)鏡。現(xiàn)在，我們只需要登陸美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）官網(wǎng)，就可以觀賞來(lái)自46億光年以外的絕美星系。

韋伯望遠(yuǎn)鏡的紅外觀察

今天，我們已經(jīng)知道，宇宙在膨脹，那些最早期誕生的恒星和星系正飛快地遠(yuǎn)離地球，來(lái)自最遙遠(yuǎn)、最早的星系和恒星的光，曾經(jīng)是紫外線和可見光，現(xiàn)在是肉眼看不見的紅外“熱”輻射。來(lái)自二氧化碳、氧和其它分子的特征輻射也是如此，這種現(xiàn)象在學(xué)界被稱為“紅移現(xiàn)象”。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡就是為了看見這一部分的波段而誕生的，哈勃望遠(yuǎn)鏡可以看到波長(zhǎng)范圍在200納米到2.4微米之間的光，而韋伯的波長(zhǎng)范圍則在600納米到28微米之間，涵蓋了可見光到中紅外光——看見哈勃望遠(yuǎn)鏡看不到的，也正是韋伯望遠(yuǎn)鏡做出的升級(jí)。

根據(jù)設(shè)計(jì)，韋伯能夠“看到”早期宇宙中形成的第一批恒星和星系，可以探測(cè)到比不借助望遠(yuǎn)鏡可見的最暗恒星還要暗100億倍的物體，或者比哈勃望遠(yuǎn)鏡所能觀測(cè)到的物體暗10到100倍的目標(biāo)。

韋伯配備了4種儀器幫助其進(jìn)行觀測(cè)，包括近紅外攝像機(jī)（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）以及精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像儀和無(wú)縫光譜儀（FGS-NIRISS）。借助這些工具，韋伯“可以開展被稱為成像光譜學(xué)的工作”，“不僅拍攝一張照片，還能捕捉其中的一個(gè)光譜和照片的每一個(gè)像素?！?/span>在成像光譜學(xué)中，圖像的每一小片中都包含了波長(zhǎng)光譜信息。這有助于向科學(xué)家提供該光譜是由哪些元素或化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生而來(lái)的線索。

韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一張正式照片，也成為了迄今為止人類拍攝到的最遙遠(yuǎn)、最清晰的宇宙紅外圖像。這張照片是韋伯望遠(yuǎn)鏡利用近紅外相機(jī)，合計(jì)曝光12.5個(gè)小時(shí)在不同波段拍攝并合成的圖像。這張圖片顯示了46億年前出現(xiàn)的星系團(tuán)SMACS 0723。這個(gè)星系團(tuán)就像一個(gè)引力透鏡，放大了它后面更遙遠(yuǎn)的星系。

長(zhǎng)時(shí)間的曝光揭示了數(shù)千個(gè)星系，其中許多星系的光太微弱，是之前的哈勃無(wú)法探測(cè)到的。而通過(guò)韋伯望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家就可以了解、分析這些星系的質(zhì)量、存在年限、演化歷程等。基于韋伯望遠(yuǎn)鏡的特殊貢獻(xiàn)，《科學(xué)》雜志將韋伯列為 2022 年的科學(xué)突破。

《科學(xué)》雜志的編輯在一份聲明中寫道：“在'韋伯望遠(yuǎn)鏡’于2022年 6月下旬上線的幾天內(nèi)，研究人員開始發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)比以前記錄的任何星系都更遙遠(yuǎn)、更古老的新星系——其中一些可能比哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的最古老的星系早1.5億年以上。”《科學(xué)》雜志認(rèn)為，“更重要的是，望遠(yuǎn)鏡能夠從天體中收集足夠的光線——從誕生的恒星到系外行星——揭示它們是由什么組成的以及它們?nèi)绾卧谔罩幸苿?dòng)，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)開始非常詳細(xì)地揭示距離地球數(shù)百光年的行星的大氣成分，為它們可能支持我們所知道的生命的能力提供了暗示。”

從韋伯太空望遠(yuǎn)鏡與哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片對(duì)比來(lái)看，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡為我們呈現(xiàn)了一個(gè)更加清晰、色彩更加絢爛的太空畫面，讓我們對(duì)太空世界的幻想有了更實(shí)在的想象基調(diào)。人類與宇宙的距離十分遙遠(yuǎn)，但太空望遠(yuǎn)鏡作為安置在太空的“眼睛”，正在幫助人類實(shí)現(xiàn)更深入的宇宙探索。

宇宙起源的真相

自古即今，對(duì)宇宙起源真相的好奇一直推動(dòng)著人類向深空進(jìn)行探索。

1924年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃用造父變星法測(cè)得仙女座大星云和M33距離我們的距離達(dá)到93萬(wàn)光年，遠(yuǎn)超銀河系的范圍，從而證明它們是銀河系之外的其他星系。隨后，哈勃通過(guò)觀測(cè)來(lái)自河外星系的光的波長(zhǎng)變化，發(fā)現(xiàn)所有的河外星系似乎都在遠(yuǎn)離我們（“紅移”），進(jìn)而提出了宇宙膨脹的概念。

通過(guò)更多的觀測(cè)，哈勃發(fā)現(xiàn)，這些河外星系的運(yùn)動(dòng)與距離存在一定的規(guī)律：離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，它遠(yuǎn)離我們的速度就越大。因?yàn)閱挝豢臻g的膨脹速率是一樣的，但天體之間分離得越遠(yuǎn)，它們之間就有更多的空間參與膨脹，因此就具有更高的速度。基于此，哈勃將這一原理反向演繹，既然更遠(yuǎn)的距離意味著更高的速度，那么更高的速度當(dāng)然也代表著更遠(yuǎn)的距離。哈勃計(jì)算出每百萬(wàn)光年的平均膨脹速率，并向人們展示如何根據(jù)星系退行的速度估算它的距離。

后續(xù)的研究證實(shí)了宇宙加速膨脹的現(xiàn)象，而宇宙加速膨脹現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，意味著宇宙中存在一種“未知的斥力”，它在大尺度上抵消甚至戰(zhàn)勝了引力帶來(lái)的坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹，科學(xué)界將“未知的斥力”命名為“暗能量”。

2013年，歐航局普朗克衛(wèi)星給出了宇宙質(zhì)能分布圖，其中暗能量占比68.3%，暗物質(zhì)占比26.8%，普通物質(zhì)占比4.9%。這樣的質(zhì)能分布數(shù)據(jù)表明，人類目前看到的宇宙只是“全宇宙”的4.9%，剩下的絕大部分都是暗物質(zhì)和暗能量，而人類科學(xué)家對(duì)它們幾近一無(wú)所知。

雖然人類對(duì)暗物質(zhì)和暗能量了解極少，但暗物質(zhì)和暗能量卻對(duì)宇宙的終極結(jié)局有不可估量的重要影響。如果暗能量的占比沒有錯(cuò)誤，而且的確能加速宇宙膨脹的話，宇宙中普通物質(zhì)的密度，就會(huì)因?yàn)橛钪婕铀倥蛎浂粩嘟档汀?/span>在這種情況下，宇宙會(huì)面臨令人絕望的命運(yùn)——大撕裂。

目前，暗能量只在幾十億光年內(nèi)為人所知，但隨著空間膨脹和暗能量效應(yīng)的增強(qiáng)，最終，維系宇宙的力量會(huì)漸漸減弱。星系團(tuán)會(huì)首先感受到變化，最終完全解體。接下來(lái)，星系也將由于內(nèi)部引力減弱而解體，恒星在星系空間中孤獨(dú)地流浪。直到物質(zhì)在亞原子層面被撕成碎片，一切都將消失殆盡。

而越來(lái)越高精的太空望遠(yuǎn)鏡正是探索宇宙奧秘的重要工具，韋伯望遠(yuǎn)鏡的意義正在于此，紅外天文可以幫助人類看到更遠(yuǎn)、更暗、更年老的星系，對(duì)于研究廣袤深空中各類星系的形成和演化以及整個(gè)宇宙的歷史都極為重要。就像NASA官網(wǎng)上所寫的一樣，“一個(gè)全新的紅外宇宙正在緩緩摘下它的神秘面紗。”韋伯望遠(yuǎn)鏡將帶領(lǐng)天文學(xué)家重新去認(rèn)識(shí)和理解更遠(yuǎn)的星系、宇宙的邊界、宇宙的過(guò)去，有希望解開暗物質(zhì)、暗能量等宇宙深處最黑暗的謎團(tuán)以及更多未知的秘密。

從人類第一次仰望星空開始，天文學(xué)歷經(jīng)千萬(wàn)年的時(shí)間來(lái)到今天，我們終于能夠把恒星演化的故事片段拼湊起來(lái)，能夠繪制宇宙大爆炸的余波、理解恒星誕生和消亡背后的過(guò)程，甚至一窺宇宙中最黑暗的真相。

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