在我们的周围,还存在着一个充满不可见能量的世界,我们对此只是略知皮毛。所以我希望,在超越感官的领域中探索那些熠熠生辉的不可见光时,我们能够一起丰富自己的知识,增添一点智慧。
——[美]鲍勃·伯曼《看不见的光》
2022年12月16日,美国《科学》杂志公布了一项年度科学突破冠军以及九项年度科学突破入围奖,它们是一年里最重大的科学发现、科学进展和趋势。其中,NASA的明星级新型太空望远镜——詹姆斯·韦布太空望远镜(JWST,以下简称韦布望远镜)被评选为2022年的年度科学突破之首。
《科学》杂志点评道,在经历了无数次挫折、长达20年的研发、超过100亿美元的高昂费用和150万千米的漫长旅行之后,韦布望远镜终于张开了它的红外黄金之眼,让我们以前所未有的方式一窥我们的宇宙,以及宇宙深邃的历史。
经历了诸多波折后,
一架新的太空望远镜令人惊叹的首次亮相;
图源:Science
一个令人惊叹的奇迹
2022年7月11日,距离韦布望远镜被送入太空已有七个月之久,此时,在白宫的现场直播中,无数人期待着韦布望远镜传回的图像。当这项奇迹般的发明传回第一张图像,在场所有人都发出惊呼,图像覆盖的天区非常狭小,仅相当于你展开手臂,观察手指上的一粒沙子。然而,这粒沙子般大小的天区,竟有上千个类似银河系的星系簇拥在一起,其中一些星系甚至还是130亿年前的样子,那是宇宙大爆炸最初几亿年的光景。人类从未离宇宙的诞生如此之近,简直令人难以置信。
这是有史以来进入太空的最复杂的科学任务,从概念诞生到开始建造,再到组装测试并最终发射,韦布望远镜项目历时20余年。来自十多个国家的数千名科学家和工程技术人员投身其中,累计工作时长约4000万小时,耗资高达100亿美元。
韦布望远镜传回地球的第一批数据和图像表明,这一切都是值得的。天文学家在接受《科学》杂志采访时表示,它们“美丽”“令人兴奋”。有人说,韦布望远镜让人类戴上红外眼镜,重新看到了宇宙。
韦布望远镜拍摄的第一张全彩色图像;
图源:NASA,ESA,CSA和STSCI
哈勃望远镜的继任者
韦布望远镜不是第一个飞向深空的望远镜,大名鼎鼎的哈勃望远镜早在1990年便开始了它的升空之旅。由于地球大气层的影响,通过地面望远镜观测太空时,大气中的气体分子会阻挡很多不同波长的辐射,比如臭氧层会吸收紫外线、二氧化碳等气体能吸收一部分红外线。移动的空气也会让恒星闪烁不清,对观测造成过多影响。天文学家便设想,若能将望远镜移到太空中,便可以不受大气层的干扰得到更精确的天文资料。
哈勃望远镜显示出太空望远镜的巨大威力,自从1990年进入太空以来,它已经成为最多产的天文望远镜之一,它的数据催生了2.2万多篇论文。它主要关注的是可见光和紫外波段,同时具有观测较短近红外光的能力(观测波长在200纳米到2.4微米之间),有助于人类研究星系演化、银河系、太阳系和系外行星等。
不过,紫外波段的光还不足以让人类观测到早期宇宙,虽然宇宙中最早的恒星和星系刚刚形成时,会在紫外线和可见光波段发出最亮的光,但随着宇宙膨胀,光在太空中穿越数十亿年后,会被拉伸成红外光。因此,红外光提供了早期时代的最佳视角。早在哈勃望远镜升空之前,天文学家就开始计划它的继任者。下一次,他们想要一个带有红外线眼睛的望远镜。
韦布NIRcam相机拍摄的Carina星云西北角的恒星形成区NGC3324的彩色图像;
图源:MIT Technology Review, Volume 125
灵敏的红外线眼睛
美国航天局介绍,韦布望远镜将以“前所未有”的分辨率观测近红外至中红外波段光线,以补充哈勃望远镜、斯皮策空间望远镜以及其他美国航天任务的天文发现。
不同于紫外线和可见光,波长较长的红外线能绕过尘埃,可以让望远镜近距离捕捉天体,看到隐藏在尘埃云背后的现象。对于韦布望远镜,更重要的任务是近距离看到早期宇宙万物,寻找135亿多年前的宇宙中诞生的第一批星系。随着宇宙持续膨胀,天体发出的光波被拉长。在光谱中,紫外线、可见光、红外线的波长依次增加,于是早期发光天体发出的紫外线和可见光朝光谱中红端移动,最终以红外线的形式抵达近地空间,这种现象被称为“红移”。红外望远镜最有可能捕捉到早期宇宙辐射经历上百亿年游历后,抵达太阳系的红外线。
红外线观测也给韦布望远镜提出了更高要求,在物理学中,凡是高于绝对零度(即-273.15℃)的物质都可以产生红外线。太阳系中,太阳释放出大量红外线,是最大的红外干扰源,韦布望远镜需要一个巨大的遮光罩遮挡太阳系红外线,让它能够“暗中观察”。最终,韦布望远镜采用5层镀铝的聚酰亚胺(Kapton)薄膜,每层薄膜厚度比头发丝的直径还要小,制作成有网球场那么大的巨大遮阳伞,挡住了超过99%的太阳辐射。
韦布NIRcam和MIRI相机拍摄的位于南天球船帆座的南环星云彩色图像。左图是近红外图像,右图是中红外图像;
图源:NASA,ESA,CSA和STSCI
一波三折的研制过程
韦布望远镜的研制过程远不止“遮阳”这一个难关。早在1989—1994年间,NASA的研发团队就提出了测量红移的太空望远镜概念设计方案,计划耗资5亿美元,建造一个4米直径的红外望远镜,于2007年发射。
NASA于2003年下拨资金支持韦布望远镜的设计工作,2005年又将发射时间推迟到了2013年。到2010年,韦布望远镜项目建造预算已大大超过原来的预期,甚至已经影响到其他空间项目的立项。2011年美国国会有议员建议终止项目。尽管如此,NASA仍设法使研制工作继续进行。
2011年,NASA评审通过设计制造方案后,项目终于转入最终制造阶段,然而制造组装过程也并不顺利。望远镜的建造组装后,科学家开展广泛的测试,发现很多问题,不得不将发射日期推迟至2019年。2018年,由于太阳遮罩在测试组装期间撕裂,审查中发现了344个潜在的故障点,发射时间又一次推迟。随后的新冠疫情,使测试工作在2020年几乎处于暂停状态。
北京时间2021年12月25日下午8:20,在法属圭亚那的ESA库鲁基地,负责运送韦布望远镜的阿丽亚娜5号火箭终于顺利升空。这比原定于2007年发射的计划足足晚了14年!
韦布空间望远镜的艺术想象图。左边与右边的背景分别代表深场观测与系外行星观测;图源:ESA
遥远又古老的宇宙密码
除了探索“宇宙黑暗时代”后的第一缕曙光,韦布望远镜还肩负着其他三类任务:研究星系在宇宙学时标上的形成和演化、恒星及其行星系统的形成和演化、太阳系外行星。在太空中进行了为期约7个月的调试后,韦布望远镜没有令科学家失望,不断给天文学界带来新的数据和意想不到的惊喜。
今年9月,韦布望远镜对一颗系外行星进行了观测,这是一颗名叫HIP 65426 b的年轻巨行星,质量是木星的7倍。大多数系外行星都淹没在母恒星的强烈亮度中,迄今为止,只有大约20颗系外行星被相机捕捉到。但是韦布望远镜阻挡了恒星的眩目的光芒,在四个不同的波长上对HIP 65426 b进行了成像,为行星系统的形成提供重要线索。
第一张系外行星的直接图像,年轻的巨行星HIP 65426 b;图源:NASA,ESA,CSA和STSCI
外星人的电话号码
韦布望远镜用它独特的红外观测技术为天文学界开启了一段新征程,还有人认为此次探测深空的项目能让我们探测到地外文明。如今,我们还不知道外星信号会以什么形式传输出来,或许是微波,或许是长波,还可能不是电磁波。
我们假设外星人发射的是无线电波,与可见光不同,无线电波很容易朝着各个方向发射。有些人认为,外星人发射的可能是红外线波段上的光;还有些人认为,每天在空中突然出现并常常持续几秒钟的超级神秘的γ射线爆发,可能就来自遥远星系中外星人集中发出的高功率广播信息流。
有趣的是,地外信号随时都会出现在我们周围,但因为它们无法用肉眼捕捉,我们时常会忽略这些“看不见的光”。因此,美国著名天文学作家鲍勃·伯曼在《看不见的光》这本书中,以他的专业视角和风趣幽默的笔触,为大众娓娓道来人类如何发现了这些不可见光,又如何让它们为我们所用。
你可能很难想象,人类在19世纪才刚刚学会利用电磁波,而现在它们不仅在科学领域大发异彩,还深刻改变了普通人日常的生活方式。你将通过这本书了解它们的发现趣史,认识很多性格各异的科学家,听到很多有趣的科学故事,也将了解这些“看不见的光”能为人类带来什么便利,又隐藏着什么危险。
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