演讲回顾
11月6日,2022年腾讯科学WE大会正式举行。诺奖得主、铸就“国之重器”的科学家们与我们分享了最新科学发现和思考。
大会原声双语字幕版视频和嘉宾演讲全文已陆续放出,欢迎收看!
宇宙大爆炸后发生了什么?作为迄今性能最强、造价最高的红外波段太空望远镜,“韦布”在距地球150万公里的“拉格朗日2点”帮助科学家探索早期宇宙的奥秘。2006年诺贝尔物理学奖得主、韦布空间望远镜高级科学家约翰·马瑟 在WE大会上介绍了韦布的系列观测成果。
以下是大会全程视频回顾:
以下是约翰·马瑟演讲全文:
欢迎来到腾讯科学WE大会,今天我的演讲主题是“詹姆斯·韦布空间望远镜”。它是由美国国家航天局(NASA)主导并与欧洲和加拿大太空研究机构联合开展的国际合作项目。
我们来看主镜的照片。它是一个具有黄金涂层的巨大六边形,直径6.5米,它的作用是收集遥远宇宙发出的光。同时它配有一个网球场面积大小的遮阳板,它的体积比运载火箭大得多,因此我们必须将它折叠起来以便于发射。
韦布望远镜项目历时20多年,共有2万多人参与,今天的介绍包括项目初衷、望远镜本身以及它是如何工作的。
这是一张宇宙早期的照片,一张宇宙微波背景辐射图。它显示了宇宙各个方向发出的毫米波,图片中有大爆炸辐射产生的许多冷热点,这张图对我们来说非常重要。
这是宇宙诞生后大约40万年时的样子,如果能够读懂它,我们就能推测出星系会如何演变。当史蒂芬·霍金看到这张图时,他将其称为二十世纪最重大的科学发现,因为它解释了宇宙的历史。在这之后我们又开展了许多工作,我们通过哈勃望远镜和其它天文设备拍摄了很多照片,以验证我们的判断是否正确。
哈勃望远镜于1990年发射,至今依然运转良好,期间我们曾五次将宇航员送入太空对其进行维修和升级。哈勃望远镜拍摄了许多照片,但还是不足以完全满足我们的期望。
我们希望看到来自于宇宙大爆炸物质的最早期的星系,但哈勃做不到,哈勃无法看到足够古老足够遥远的宇宙。因此天文学家们写了一本书并说到,“请为我们建造一个更大更强,且能够收集最遥远的宇宙发出的红外线的望远镜”。
下面我来介绍一下我们的工作以及韦布望远镜是如何运转的。韦布望远镜于2021年12月25日在法属圭亚那群岛由阿丽亚娜5型火箭发射升空,发射圆满成功并进入预定位置。韦布的预期工作寿命为20年。这就是韦布望远镜的预定位置,也就是“拉格朗日2点”(L2点),距离地球150万公里。
午夜时,拉格朗日2点就在我们的头顶 ,它正好处于地球的另外一侧和太阳相对,这是望远镜的绝佳工作位置。因为我们可以方便地与它联系,另外巨大的遮阳板也可以阻挡太阳地球和月球的热能。

这是韦布望远镜在外太空完全展开后的样子,发射时它以折叠的方式放置在阿丽亚娜火箭的顶部,因为火箭的内部直径只有5米,韦布望远镜在进入预定位置后自行展开。首先展开的是用于获取电能的太阳能电池板,然后是用于与地面联系的天线,然后是用于辐射热能的遮阳板。
我们将韦布望远镜与航天器分离来降低它的温度,然后打开遮阳板上方的盖子,这看起来很难,也确实如此。我们发明了10项新的技术来实现这些功能,我们要研究如何制作镜面,如何在太空中完成对焦,如何用塑料制作遮阳板。在此之前我们对这些一无所知,但现在全部实现了,如果我们想建造更强大的望远镜,现在也可以做到。

最后就是展开望远镜本身,但完全展开并不意味着望远镜可以开始工作了,因为此时望远镜的温度依然不低且尚未完成对焦,我们花了6个月时间完成调试。
2022年7月韦布望远镜开始正式工作,我们希望通过韦布望远镜研究四大课题。
1. 宇宙大爆炸后发生了什么?大爆炸物质中没有发光物体?但现在宇宙中有无数的恒星和星系,那么它们是何时形成的?天文学家将这一时期称为“宇宙黑暗时期”,这是我们研究的第一个问题。
2. 星系是如何产生的?
我们所在的银河系有大约1000亿颗围绕中心运行的恒星,它们通过引力组成了整个银河系,这是如何发生的?我们认为银河系是无数小的物质通过引力融合形成的,事实确实如此吗?我们可以通过观察更古老的星系刚刚诞生时的样子来得出结论。

3. 恒星是如何产生的?
现在仍然有恒星正在形成,那么恒星是如何产生的,我们无法看得非常清楚,因为恒星是在气体尘埃云的内部产生的,望远镜是看不到的,但红外线可以穿透尘埃云,我们可以收集红外线来确定是否有新的恒星正在产生。

4. 对行星进行研究。我们知道大多数恒星都有行星,且大多数恒星都有多颗行星,但至今我们尚未发现任何和太阳系类似的恒星系统,因为太阳系有4颗岩态行星和4颗气态行星,这是一个巨大的谜团。宇宙中还有像地球一样具有大气层并适合生命存在的行星吗?我们不知道。
这是我们在2022年7月11日发布的的第一批照片之一,这张照片中有几千个星系,但这片星空对于整个宇宙的大小,就相当于伸直手臂时手中的一粒沙子,沧海一粟。如果我们拍摄一张完整的宇宙照片,其中会有几十万亿个星系。这张照片中有许多模糊的小天体,它们实际上是距离我们很近的星系,还有一些非常小的亮点,是最遥远的星系。我们希望通过研究这些照片来帮助了解银河系的历史。照片中央那个最大的蓝色放射状天体,是距离相近的许多年轻星系组成的星系群,它们距离地球只有约40亿年,有着极大的质量和引力,以至于能够让周围的光发生弯曲。
爱因斯坦的相对论指出,足够大的引力可以使光发生弯曲,这张照片就是最好的证明。一些星系已经呈弯曲状,还有一些星系呈现出其它奇怪的形状。我们可以通过自然给予的这些视角来研究更遥远的宇宙。这张照片中有几千个星系,我们希望有更多的了解。
首先我们来看两条小弧线,看起来它们像是某个被扭曲的遥远星系。这两条弧线有着相同的光谱,也就是说它们是同一个天体。光谱是由各种颜色的光组成的,不同的颜色代表星系中存在的不同分子或原子,这两条弧线的光谱一模一样 ,因此可以确定它们是来自于同一个天体 。我们还可以更详细地了解那些最暗的星体 ,这是目前我们观测最早期宇宙的最佳方法,也就是找到照片中那些最模糊的红色星体,逐一观察并绘制光谱,通过光谱确定那里存在的化学组成。

我们从这张照片中发现了一颗131亿岁(也就是距离地球131亿光年)的星体,也就是宇宙膨胀开始后仅7亿年左右诞生的星体,最终我们确定这个星体上有氢气和氧气,这是我们非常期待的结果。但我们知道大爆炸物质中并没有氧气,因此即使我们已经看到了距离如此遥远的星体,我们还是没找到由大爆炸物质直接产生的原初星系 。原初星系应该仅仅是由大爆炸的氢气和氦气形成的 。
我们可以观察那些星系中存在的其它物质。这个星系有氖和其它一些化学物质,包括氢和氧。这只是对遥远星系进行化学分析的开始。

我们还拍摄了一颗距离近得多的星系群,就是由五个星系组成的“斯蒂芬五重星系”。其中4个星系相互作用,另一个星系,即左边那个星系距离我们近得多。照片中可以看到一颗颗红色的恒星,中间的两个星系正在发生碰撞和融合。
每个星系周围都有一团红色的云,在那里由于碰撞被压缩的气体正在形成新的恒星。

可以看到最上方星系的中央有一个黑洞。黑洞是什么?黑洞是一个引力极大的地方,包括光在内的任何物质都无法逃脱它的引力,那么我们是如何确定那里有黑洞的?因为我们看到有物质正在陷进去,物质陷入黑洞时会被压缩并加热到几十万摄氏度。我们观察到了这样的现象并希望分析它的过程,现在我们可以做到这一点。
我们还有另一种对光进行区分的方法,我可以对照片中的每一个星体绘制光谱,并确定哪里有铁原子、氢分子和氢原子等等。每个星系形状各异,我们也已经开始研究黑洞是如何吸引周围物体的,以及物体是如何围绕黑洞运行的。我们还可以研究波长更长的光。
我们看到黑洞附近有沙粒,在天文学中我们将其称为“硅酸盐”,这种物质就像海边的沙子一样,但不是同类的物质。这对天文学家来说很重要,因为这些沙粒尘埃云可以产生新的恒星。那个黑洞周围就有这样的物质,我们想了解整个过程。
我们再来看一张美丽的照片,它证明了
星系之间会发生碰撞
。可以看到那个较小星系直接撞击了较大星系的中心,有物质从星系中心向外运动,中心周围的红色、蓝色圆环中正在诞生新的行星。这张照片很美,而作为科学家我们想知道这是如何发生的。

这是一张典型的经过处理的照片,哈勃望远镜拍摄的这个星系实际的样子并不是照片这样。(经过处理)它看起来像一块海绵,星系中有很多巨大的孔洞,这些孔洞源自于恒星表面物质向外散发,恒星发出的光会受到压强的作用,推开并加热周围的物质,因此我们可以看到星系中明亮的恒星正在制造孔洞。
这是另一张照片,它是船底座星云。恒星正在星云内部形成,有些已经形成。照片的上半部分满是明亮的恒星,有蓝色的,有黄色的。
那些针状的六边形物体就是恒星,它们异常明亮,使得尘埃云的表面发生蒸发,可以看到蓝色针状物质从尘埃云中散发开来。尘埃云内部,是数百颗新的恒星。我们想知道恒星是如何诞生的。我们相信每颗恒星都有行星围绕其运行,我们可以通过船底座星云研究恒星及其行星的形成。

我们也可以观察恒星在生命末期会发生什么,大多数情况下恒星会发生剧烈的爆炸,我们称其为“超新星现象”。这是一种更温和的方式,这颗恒星产生出类似行星的物体,但实际上并不是(行星),而是这颗类似于太阳的恒星散发出的物质云。当太阳到达生命末期时也会发生这样的现象。这张照片也很美,我们需要了解其中的奥秘。右边的照片中有两颗恒星,左边那颗恒星正在散发出物质,右边那颗恒星在未来的某个时间也会发生同样的现象。

这是木星的照片,我们把木星称为“行星之王”,我们想知道木星是如何运行的。木星又称为“大红斑”的永久风暴,在红外照片中可以看到大红斑仍然存在,并且周围有令人着迷的卫星,我们对木卫二尤其感兴趣,因为我们已经对它有了很多了解。
我将在下张照片中展示木卫二(木星的卫星之一),这是伽利略号探测器拍摄的木卫二照片。诸多照片显示,木卫二的地表由冰层覆盖,冰块之间有裂缝,裂缝中有来自地表以下的海洋流出的棕色物质。我们想知道棕色物质的构成以及地下海洋中是否存在有机物。我们正在计划发射一颗NASA的探测器穿过那里的水蒸气,从而确定是否存在有机分子。我们会通过哈勃望远镜进行观测,确定那里的物质构成以及何时发射探测器。

我们也会观测土卫六(土星的卫星之一),土星体积巨大且有大气层,大气层足够支撑一个探测器。我们将会发射一颗形似直升机的探测器观测土星表面,我们也会通过韦布望远镜拍摄土星和土卫六,观察遥远的冥王星上的气候变化,以及观察我们已知的一些具有行星的恒星。
我们的观测方式有两种:一种方式就是拍摄照片;另一种方式是当行星运行到恒星前方时进行观察(此时行星会阻挡恒星的一部分光)。当行星阻挡恒星的一部分光时,我们可以确定行星就在那里,并且能判断行星相对于恒星的大小。
我们还可以通过望远镜观测恒星发出的穿过行星大气层的光,从而分析行星的大气层中是否有分子、尘埃、云或其它物质存在的迹象。
我们已经在通过韦布望远镜进行此类观测,我们也拍摄了一张照片验证这种方法的可行性。我们知道那里可能有行星,照片也证实了我们的判断,照片显示那颗木星大小的巨大行星的大气层中有水蒸气,它就在类似太阳的一颗恒星的不远处,这证明了这种方法是可行的。

不久后我们会开始对质量更小的恒星的更小行星进行观测 ,确定它们是否也像地球围绕太阳那样围绕某颗质量较小的恒星运行,因此
年内我们就能确定是否存在和地球大小相当的具有大气层的行星。
每一位天文学家都可以参与我们的项目,都可以获取我们的文档和数据。如果您希望通过韦布望远镜进行观测,您可以向我们发送提案,提案征集工作截止2023年1月,您可以在我们的官网上查找关于如何书写提案的文字和视频指导。对于收到的每一份提案,我们是不知道发送人或者发送地的,因为我们采取的是“双向匿名”的方式。你可以在任何地方向向我们提交议案。如果您的想法很好,我们会选择您的提案并向您发送观测数据。我们欢迎天文学家和大众参与进来,对韦布望远镜的照片和数据进行分析,我们也有专门的社交媒体账号,欢迎大家关注并提问。
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