NASA花了百亿美元,只为遥望这138亿年前的“未来”

韦伯望远镜,以及在它之前的哈勃和史匹哲望远镜,和在它之后的更高科技的深空观测设备,将帮助我们在这一永无止境的科学探索道路上,踩下一个又一个更坚实的脚印。
2022-07-13 09:01 · 微信公众号:硅星人  杜晨   
   

谁能想到,这两天在互联网上流传*广的图片,

既不是哪位知名明星爆出的私照,

也不是“图圈”当下*火的 NFT 小照片。

它就是美国宇航局 NASA 的“百亿美元相机”——詹姆斯·韦伯空间望远镜发回的首批照片之一。

这张照片包括了整个 SMACS J0723.3-7327(简称0723)星系团当中的数千个星系,它是人类太空观测历史上*深,也*清晰的一张照片——你看到的每一个椭圆形的光斑,都是一个和银河系相当甚*更巨大的星系。

“然而这张照片所包含的只是宇宙非常小的一个部分,”NASA 局长 Bill Nelson 表示,“如果你捏着一粒沙子,伸直手臂,然后透过双眼看过去手指之间的缝隙,这张照片所对应的,其实也就是这么小角度里的一小片宇宙。”

更有趣的是,在照片中你可以观察到某种“光圈畸变”——那其实正是爱因斯坦等人所提出的“引力透镜效应”的真实体现,也即光经过引力场时发生类似于透镜式的弯曲(就像在*科幻电影《星际穿越》里肉眼看到黑洞“Gargantua”那样):

NASA 今天公布的这张照片所包含的,可能是人类迄今为止观测到的*大尺度的引力透镜效应。

在天文和天体物理学家的认知中,巨大的引力透镜效应预示着在这个角度*小,广度*大的宇宙一隅之中,有着比其它地方更密集的引力场天体存在,包括星系团和黑洞。

不仅如此,如果你放大这张照片,仔细查看下图中暗红色的天体:科学的红外观测结果认为,这个天体所产生的光,经过了大约131亿年左右才被韦伯望远镜拍摄到,形成这样一个暗红色的光斑。

而已知的宇宙年龄,才138亿年左右。换句话说,这个暗红色的天体,在宇宙诞生之后不久就已经存在了。

包括密集的引力透镜效应,以及暗红色的天体在内——照片所展现出的种种现象,似乎都在告诉科学家们:

这张照片所拍摄的方向,就是宇宙开始的地方。

这张照片如此之重要,以*于美国总统拜登和副总统哈里斯,硬是抢了 NASA 原定于美国时间周二的“头条”,在周一下午开了一个白宫直播发布会,单独抢先发布了 SMACS 0723 这张照片……

不过,这次白宫“抢头条”的做法,也确实让人们都加深意识到,韦伯望远镜以及整个深空观测的事业对于科学和整个人类的重要意义。

“在99年我们发射了哈勃望远镜,让深空观测*摆脱了大气层的限制,”美国副总统卡马拉·哈里斯表示,“而在今天我们终于进入科学发现的新阶段。韦伯望远镜将让我们能够看到太空中更深远的地方,加强我们对于生命、星系,乃*于整个宇宙起源的了解。”

| 寻找地外行星

当被问到对于太空探索*感兴趣的问题是什么,相信大多数人都会问出类似的问题:我们人类是宇宙中*的智慧生物吗?

因此,NASA 将*张照片的主题定位为地外行星 (exoplanet):

并没有错,它就是 WASP-96 b,一个距离地球大约1150光年,具有大气层,并且其中有水存在的气态巨行星。

在照片中放了图表,是因为 NASA 并没有真的拍到它,也没有足够多的证据能够给出一个合理的外观猜测。不过,图表当中的数据,已经足以证明这个地外行星存在,并且其大气层内有水形成的云雾的化学特征。

据 NASA 透露,WASP-96 b 是一个比较独特,在我们的太阳系中没有特别近似行星可以直接对比的地外行星。

从目前的资料来看,WASP-96 b 上有生命的机会应该非常渺茫:它也围绕着一枚和太阳接近的恒星公转,公转非常短,它的“一年”只有我们地球上的三天半左右,而且温度也高得离谱——所以几乎不可能有和我们地球上类似的碳基生命存在。

但是,一个有水的地外行星存在仍然是*其重要和有意义的发现,更别提韦伯望远镜到达预定位置开启工作之后不久之后就做出了这一发现。“韦伯望远镜技术之强大,工作效率之高,是过去哈勃望远镜所无法追赶的,”韦伯项目副主任科学家 Knicole Colón 表示。

| 向生而死,向死而生

循环往复是一个很普遍的概念,在哲学和宗教等范畴里很容易找到。而在科学上,更是有*的能量守恒定律,和相对论等一系列发散出的理论和猜想。

在恒*别的天体尺度上,循环往复更是一种不变的真理。这一次,NASA 也用韦伯望远镜拍下了三张照片,代表天体孕育到死亡再到新生的永恒循环。

就像《天鹅湖》的悲剧版结局那样,有些恒星在死亡的那一刻才闪耀出*美的光芒。南环星云 (Southern Ring Nebula,编号 NGC 3132) 就是这样一个凄美的例子:

过去的观测普遍认为,这个星云层叠式的气体壳,应该是来自于一枚处于“濒死”阶段的白矮星。它无法抗拒重力的崩塌,不断向外射出气体和物质残渣,形成了一层层美丽的行星状星云。

在此之前,科学家们有足够的证据证明南环星云其实是一个双星系统。但是星云和另一颗亮星的亮度更高,人们反而看不到这些美丽气体的真正制造者。

而在这次韦伯望远镜发回的照片中(右图的中红外成像结果),NASA 也终于*清楚地看到两颗星相映成辉。

NASA 随后公布的第四张照片,让我们可以从一个*巨大的视角上,近距离观测*离奇和有趣的恒星诞生机制。

这张照片里的主角们,就是*的史蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet),一个由五个视觉接近的星系组成的星系群。

为什么说它*为巨大?图片里有5个星系,站在地球上观测的话它们合起来的大小只有月球直径的五分之一,然而这张照片的像素高达1.5亿,由接近一千张照片拼接而成:

虽然说是五重星系,其实这几个星系当中,真正距离足够近,以*于产生相互的物理影响的只有4个星系,它们共同称为 HCG 92。

这种相互影响也是它*有意思的地方:HCG 92 的四个组成星系之间,虽然大体上依然独立,但它们之间的引力作用导致星系之间正在发生*为活跃的气体交换。具体来说,在图片中间的两个星系正处在高速的融合过程当中,一个星系的气体和物质,正在以每小时数百万公里的速度落入到另一个星系当中。

欧洲空间局的科学家发现,这种气体和物质的交换活动导致天体活动*为活跃,从这个区域观察到的红外特征,非常强烈地表明这个区域正在加速诞生无数的新恒星。

这便是“洪荒之力”的*直接体现。

在宏观的尺度上观察这种洪荒之力后,NASA 的第五张照片,则让我们更加近距离地目睹新生命的孕育。这也是*后一张照片,来自于船底座星云 (Carina Nebula):星云和天体的相映成辉,让这块区域显得像是层层叠叠的山峦,和背景里的星空。

图片中展示的是船底座星云的NGC 3324 区域,在这里恒星正在大量诞生。以图片中靠近中心的紫色亮斑为例,那是一颗正在诞生中的恒星,正在从周遭的星云气体中吸取物质,疯狂地“长大”,并且在过程中发生*其剧烈的紫外线辐射。

而这种剧烈的辐射又对周遭的太空产生了深远的影响,这也是为什么我们会在图片的上半部分,特别是“山峦”的附近,看到类似于“蒸汽”的景象。实际上,它们是因为受到剧烈的紫外线辐射而导致离子化的气体,以及由于各种原因出现的高温物质颗粒(如其它恒星衰老死亡之后的残骸)。这些气体和颗粒又在引力的作用下,被“推”到了图片靠下部分更稠密的星云当中,被这里更加密集的诞生中的恒星所吸收,形成了宇宙中物质的“循环利用”。

作为一座*的“天体摇篮”,NGC 3324 就是这样一番融合了暴力和美丽的景象。

如果说刚才的 SMACS 0723 星团照片,展示的是宇宙*古老和神秘的原初景象,那么这张船底座星云照片则正好相反,带我们饱览了宇宙中*年轻的一个角落,所体现出的盎然生机。

在这张照片里有很多 NASA 已经能够看懂的事物,也仍然还有很多它还看不懂的地方。项目副主任科学家  Amber Straughn 指着照片中一块暗色突起的部分,“比如这块地方究竟正在发生什么?我们仍然不知道,这张照片的数据和信息真的是太丰富了。”

| 探索宇宙,为了寻根,更为了未来

通过五张照片以及它们各自的主题,NASA 其实讲述了一个宇宙不断循环往复的故事。

拍下这些照片的韦伯望远镜,美国乃*全球天空探索历史上*昂贵的项目之一。这个项目启动之后跳票了整整14年,到去年圣诞节才终于发射,当时已经严重超支*少20倍,生命周期总耗费高达100亿美元。

好在,韦伯望远镜并没有让大家失望。这样一台正式启用没多久的观测设备,已经为人类增添了许多崭新的宇宙知识,和*的观测视角。项目组成员 Jane Rigby 透露自己*次看到传回的照片的时候,“哭的稀里哗啦的”( I went and had an ugly cry)。

100亿美元的确是一笔不小的数目,因为为了实现目标,韦伯望远镜必须实现许多*的技术突破。

比如为了观测数十亿光年之外的星体,探测到它们发射过来残留的*其微弱的红外线,望远镜必须有一个巨大的反射镜,但为了能够放在火箭负载里发射上天,不得不分割成18个六边形的小镜片,到了太空里再呈蜂窝状展开到大约6.5米的直径。

镜片的基底材质采用了特殊合成的石墨环氧树脂,主要的反光材料则为铍 (拼音:pi2,化学符号 Be),一种在宇宙中较为*的元素,再加上表面涂了一层只有大约700个原子厚度的金,因为金对于红外线的反射效果更强。

在使用的时候,每一个镜片上的上千个微小的“快门”都要在60开尔文(约-213℃)以下的工作温度能够独立开关,镜片角度也要微调,可以说在电机微控方面实现了壮举。

为了保护镜片和镜头的低温敏感程度,韦伯望远镜的四边形遮阳罩尺寸约为21x14米,*长的对角展开几乎达到了网球场的长度,材质则为杜邦开发的 Kapton 高强度化合化合纤维丝+铝箔和其它隔温化合物涂层,一共五层。

这种结构的隔温效果*好,即使在对着太阳的一面达到125度,靠近望远镜本体的这一面仍然能够维持在-235℃。

正是为了确保望远镜的观测效果,不让已经花掉的钱打水漂,项目研发人员不得不烧掉更多的钱,确保万无一失。

更重要的是,这些花费并不只适用于望远镜本身,韦伯项目许多技术创新突破的成果,比如近红外和中红外探测技术、波形识别和过滤算法、完全被动的冷却技术、微型机器人技术等,可以用于其它高科技和民用场景。

比如,NASA 和代工方的工程师们发明了一种精确快速地测量并打磨镜片的方法,这项技术现在已经投入到*先进的激光眼部手术中。

有人可能会问:难道我们不应该把更多的钱和精力,用于打造更好的未来吗?为什么要花上百亿美元,把镜头对准几十亿年前的天空?

一个角度是,这样做体现了人们对“寻根”的追求。

在大的尺度上,寻根并不只是人文,更是一种科学的追求。人类作为一个物种,作为我们已知的宇宙世界中目前*的行*智慧生物,当然也会应该去进一步了解宇宙到底是如何诞生的,生命的起源究竟是什么。

了解了天体的生老病死的内在机制,能够帮助人类更好地发现和理解宇宙万物运行的规则。掌握过去,掌握规则,我们才能打造更好的未来。

韦伯望远镜,以及在它之前的哈勃和史匹哲望远镜,和在它之后的更高科技的深空观测设备,将帮助我们在这一永无止境的科学探索道路上,踩下一个又一个更坚实的脚印。

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