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探索宇宙:新一代的“人类之眼”

 大科技杂志社 2023-08-28 发布于海南

  2021年12月,一架望远镜被运载火箭带到太空,它就是詹姆斯·韦布太空望远镜。经过了3个月的飞行、展开与调试,韦布望远镜正式启动,开始为人类观测宇宙。作为新一代“人类之眼”,它有怎样的本领呢?

  哈勃的“继任者”

  许多人都听说过哈勃望远镜的大名,它是1990年发射到地球上空的太空望远镜,拍摄了大量的宇宙照片。

  随着人类探索宇宙越来越深入,哈勃已无法满足科学研究的需要。因此,来自20个国家的数千名科学家、工程师和技术人员历时12年,耗资近100亿美元,制造了韦布望远镜。

它能捕捉到亮度为人眼可见最低亮度的1/100亿的光线 ,拍到的照片比哈勃望远镜更清晰,且拍摄用时更短。不过,这两架望远镜的视觉范围并不相同,哈勃主要观测可见光,韦布主要观测红外线。

  风帆飞船

  韦布望远镜将近有一个篮球场那么大,造型像一艘有风帆的宇宙飞船,“风帆”其实是18块六边形镜面构成的主镜。

这架庞大的望远镜无法在展开的状态下上太空,因此,它先呈折叠状态装在运载火箭里,抵达预定高度后再用十几天的时间慢慢展开。现在,它距地球约150万千米远,比月球离地球更远,远离地球反光和灰尘的干扰,绕太阳运行。那么,韦布能拍到怎样的照片呢?

  幻影星系

  IC 5332是一个距离我们约3000万光年远的螺旋星系,在可见光下,它看起来十分规则、优美,但似乎没什么特点。

换到韦布的红外光视角,IC 5332才显示出它的不同。星星不再是主角,它们变成了大大小小的红、蓝点,点缀在灰色蜘蛛网般的漩涡间;这些漩涡相当于星系的骨头,它们通常被尘埃遮挡,是整个星系的气体分布模式。

  沙粒里的繁星

  我们抬头观望夜空时,由于宇宙的宏大,在人眼看来沙粒大的区域就包含了无数的天体。在韦布望远镜的拍摄下,这颗“沙粒”可以变成细节分明的照片。

其中每一块亮斑都大到足以包裹银河系,那些拉长的弧线围绕着同一中心,那是SMACS 0723星系团;大质量星系团的引力将空间扭曲,如同一面透镜,使穿过空间的光线也一同弯曲,这就是引力透镜效应。不过,这是该星系团46亿年前的样子,它46亿年前发出的光如今才抵达地球。

  韦布望远镜还记录了照片里几十个星系的光谱,光谱相当于星系的指纹,天文学家可以从中了解星系的化学成分、温度、密度等信息。

  为什么照片里的一些星星有八个尖角?

  你在夜晚眯着眼看路灯时,常能看到细丝般的放射状光芒,这是因为一小部分光线被头发和睫毛挡住后,略微偏转,在其他地方成像,这种现象被称为“衍射”。

  照片里星星的尖角也源自衍射。韦布是一台反射望远镜,星光照射到主镜后被反射,汇聚到位于前方的副镜中,然后再次被反射,进入类似相机的传感器中。副镜是被支撑柱固定在望远镜上的,这些柱子就相当于挡住光线的头发或眼睫毛,造成了衍射,光源越强,尖角越明显。

  宇宙悬崖

  在距离地球约8500光年远的地方,船底座星云的一隅如山脉般绵延,这里也被称为宇宙悬崖。

  炽热的巨型恒星掀起恒星风席卷峡谷,尘埃和气体在风浪里翻腾、凝聚,最终一颗颗婴儿恒星在山脊中诞生。恒星的早期形成只持续5万到10万年,对宇宙来说这仅是短短一瞬,恰好被我们窥见。

  星际争霸

  1877年,天文学家爱德华·史蒂芬发现飞马座方向有5个星系簇拥成群,他便将其命名为史蒂芬五重奏;现在我们知道,五重奏实际上只有4个星系真正相邻,它们距地球约2.9 亿光年远,照片最左边的第五个星系距地球约4000万光年远,只是刚好路过“抢镜”罢了。

  尽管名字很和谐,但这个星系群内部正在发生激烈的争斗:4个星系在引力作用下互相碰撞、拉扯、合并,拖出了长长的尾巴;在此期间,上百万颗恒星在被压缩的气体尘埃中诞生。科学家认为,早期宇宙中到处都是这样的战场,经过了长久的厮杀,才形成今天的宇宙格局。

  探索宇宙的遥远历史

  宇宙自诞生以后就在不断膨胀,天体就像画在气球表面的点,随着气球涨大而远离彼此。在此过程中,天体发出的光线波长也会被拉长,而那些离我们特别远的、位于宇宙边缘的古老天体,它们的光抵达地球时基本都变成了红外线。韦布望远镜尤其擅长捕捉这些光线,让天文学家能够更好地研究早期宇宙发生的事件,寻找最早的恒星和星系,研究星系的形成和演化。

  另一方面,红外线能穿过模糊的灰尘和气体,暴露藏在其中较暗、较冷的行星。因此,天文学家也能在韦布的帮助下观测、分析行星的大气层,从而研究这些行星是否有孕育生命的可能。

  韦布望远镜预计能在地球上空工作10至15年,作为全新的人类之眼,它将承载人类的好奇心,继续探索无垠的太空。

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