北京时间7月12日晚
詹姆斯·韦布空间望远镜
(JWST,以下简称韦布望远镜)的
首批科学图像正式亮相
它们向我们展示了一个全新的宇宙
……
好像听懂了但是又好像没懂?
没关系,先看图!
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上海天文馆的科普达人
上海天文协会副秘书长“水兄”施韡
分别用一句话概括了
首批公布的5张图片:
星系团 SMACS 0723:一臂之远的一粒沙子中竟然包含了上千个星系;系外行星 WASP-96b:首次详细揭示了太阳系外行星大气中水的特征;行星状星云 NGC 3132:展示了垂死恒星的华丽谢幕;斯蒂芬五重奏星系:拨开云雾,透视了超大质量黑洞附近的气体的速度与组成;船底座星云:透过浓密尘埃瞥见新恒星的诞生。一个一个来看
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星系团 SMACS 0723
这是韦布望远镜的首张深场图像,显示的是一个编号为 SMACS J0723.3−7327 的星系团(可缩写为 SMACS 0723)。美国宇航局(NASA)表示,这是迄今最遥远、最清晰的宇宙红外图像。
它由数百个星系共同组成,距离地球大约46亿光年——也就是说,韦布望远镜收集到的这些光子,在它们从星系团启程出发时,我们的地球才刚刚诞生!
图中容易吸引人眼球的是一颗光芒万丈的星星。然而,它不过是银河系中一颗不知名的暗弱恒星,只是由于离我们较近,才一不小心成功抢戏。而亮星的下方、图片的中央,那几个明亮的、白色的、呈现圆形或椭圆形的斑点,就是星系团的成员。
在星系团的周围,还有几十条细长而弯曲的弧线,由于光线的“引力透镜效应”(gravitational lensing)被拉长变弯,看上去像融化了的太妃糖。它们事实上是更遥远的星系,每一个都拥有上千亿颗恒星。图像覆盖的广袤宇宙中这片星空的大小,相当于地面上的人展开手臂后观察上面的一粒沙。
在韦布这张照片里,科学家找到的最古老的一个天体,是左上角的一团红雾。经科学家计算,这个星系距离我们131亿光年!也就是说,它发出的光在宇宙中奔波了131亿年才来到我们这。
要知道,科学家推测宇宙诞生才大约137亿年,这意味着,这个星云呈现的,是宇宙儿童时期的样子。韦布望远镜还对它进行了光谱分析,分析出了宇宙诞生初期的星系元素构成,主要还是氢,氧和氖。
值得一提的是,韦布的“老前辈”哈勃空间望远镜也拍摄过同一片天区。哈勃的深场图通常累计曝光时间长达数天甚至两周,而拥有巨大镜面的韦布望远镜,仅花了12.5个小时,效果就超过了哈勃。
网上有人制作了哈勃和韦布观测SMACS 0723星系团同一位置时的对比gif,从模糊到清晰,细节也更多更丰富,肉眼可见的科技进步。
系外行星 WASP-96 b
WASP-96是一颗距离地球约1100光年的类太阳恒星,拥有一颗不同寻常的行星 WASP-96 b。据推测,这颗行星距离恒星只有700万公里,每3.4天就公转一周,其大小与木星相当,但质量只有木星的一半。
根据这些信息判断,这应该是一颗所谓的热木星,大气层顶部应该非常热,可达1000°C,这样的高温使得大气膨胀。其实韦布望远镜无法直接拍到它的影像,但行星大气中的原子和分子会吸收特定波长的光,也就是说,通过行星“凌日”时的恒星光谱,科学家可以间接“看到”。
类太阳恒星 WASP-96的光谱,透露了绕它旋转的行星WASP-96 b的大气成份 | NASA/ESA/CSA/STScI
这张图片事实上是行星WASP-96 b 发生凌日时,类太阳恒星 WASP-96 的光谱。从图中我们看到WASP-96 b 大气中存在显著的水蒸气。记录到的数值波动还反映出行星大气中含有云和霾的特征。
韦布望远镜强大的光谱分辨本领,让我们获得了有史以来最清晰的系外行星大气成分的数据。这张图片也验证了韦布望远镜观测系外行星的能力。通过这种方法,我们有望获得更多关于系外行星大气的信息,从而判断该行星是否宜居,甚至侦测其有无生命活动迹象。
通过凌星探测行星大气成分的原理 | 水兄制图
行星状星云 NGC 3132
NGC 3132 是一个距离地球约 2000 光年的行星状星云,被称为南天环状星云。它的前身是一颗类似太阳的恒星,核心燃料耗尽后快速膨胀成为一颗红巨星。最终外层物质扩散脱离星体,核心则坍缩成白矮星,核心外围的物质以更高的温度、更快的速度被推出去。
哈勃望远镜同样关注过这个星云
“视力提升”的效果如图↓
如宝石般璀璨
韦布为它拍下多张照片,上图由近红外相机(NIRCAM)拍摄,下图由中红外相机(MIRI)拍摄。除了比哈勃更清晰的成像之外,更长的波长还让科学家确认,NGC 3132 的中心实际上是两颗恒星。此前科学家通过各种其他观测和模型,很早就知道这个星云的中心有一对双星,但是一直都只能拍到其中的一颗。 这次终于看到了那颗暗淡的红色星星,也证实了科学家的双星理论!
这颗红色恒星还没有走到生命的终点,而星云中心那颗较暗的亮点,便是恒星死亡后留下的“尸体”—— 一颗个头只有地球大小的白矮星。这样精细的结构有助于我们了解像太阳这样的恒星死亡时的情况,了解上一代恒星抛射出去的物质如何“化作春泥”,成为下一代恒星形成所需的养料。
斯蒂芬五重奏星系
斯蒂芬五重奏星系实际上由两部分组成:其中4个星系构成一个相互作用的小星系群,距离地球约3亿光年;另一个为前景星系,也就是画面左侧那个,离地球只有4000万光年,跟其他4个没有物理上的关联。
照例先来看
哈勃与韦布的成像对比
近红外相机拍摄的图像,显示了该星系群中相对较冷的气体和尘埃。
而在中红外图像上,NGC 7139 (上方)星系中心显得非常明亮。这是来自一个超大质量黑洞外围的光芒。
船底座星云
在船底座的南部,有一个弥漫着气体和尘埃的巨大星云,叫作船底座星云(Carina Nebula)。它距离地球约8000光年,是银河系最活跃的恒星形成区之一,被形象地称为“恒星托儿所”。
这张图同样也是近红外相机所拍。山峦一样的结构是星云里的气体和尘埃。画面顶端显示出一些质量巨大、非常明亮的恒星,它们吹出的星风侵蚀着气体和尘埃,将它们一路向西推,就像海浪冲刷着沙滩一样,留下了泾渭分明的界线。
这张照片也被很多网友认为是首批5套图片中最美,细节最炸裂的一张。还有人拿出了梵高的《麦田群鸦》 作比较。
需要说明的是,韦布本来是没有“色彩”这个概念的。只不过为了便于展示,天文学家会给韦布在不同波长拍摄的图像人为赋上不同颜色,如此多波段合成之后,就成了这些“全彩色照片”。
25年花掉100亿美元
黄金大镜探索宇宙终极奥秘
对宇宙终极奥秘的探寻堪比一场跨时代的接力赛。坚持了30多年的哈勃望远镜由于对红外线的观测能力不足,难以捕捉到更古老,更遥远的红外线“冷光”;加上它位于地球附近的太空,容易受到各种干扰,还出现过几次故障。因此,美国宇航局NASA于1996年立项开发韦布望远镜,用于观测更遥远更深空的宇宙。
科学界曾作过一个形象的比喻:哈勃望远镜能观测的是成年,青年的星系。而韦布太空望远镜能观测到的是更遥远的幼儿,婴儿时期的星系。 可以说,韦布望远镜就是为探索宇宙起源这类终极奥秘而生的!
随着科学家对太空有了更多了解,他们想要探知的问题也变多了。韦布望远镜的发射从2007年推迟到了2021年,预算也从最早的5亿美元变成了100亿美元。它还被许多天文爱好者戴上了“鸽王”的帽子。
目前,韦布望远镜的使命是帮助科学家了解这七大问题:
1.宇宙中第一颗恒星什么时候、在哪里形成?
2.超大质量黑洞的起源是什么?
3.暗物质是冷的吗?
4.大质量恒星如何爆炸成超新星?
5.像地球这样的行星上的水是从哪里来的?
6.最有希望的系外行星可以孕育生命吗?
7.宇宙膨胀率是否打破了目前的宇宙学模型?
韦布望远镜包含主镜,副镜,科学仪器,稳定翼,防光罩,天线,太阳能阵列,航天器总线几大部分。被称为“人类天文史上最精妙的仪器”。
从有18个六边形组成的精密黄金反射主镜面……
到利用声波再生器来实现热量交换的脉管制冷机(没错,就是用声波来制冷,连工程师都认为它是“整个望远镜里最魔幻的部件”)……
再到自燃推进剂推进器系统,每个部分都用上了当时最顶尖可靠的科技。
当然,最重要的还是这组仪器,韦布太空望远镜用于拍照的核心设备,近红外摄像机(Near-Infrared Camera,NIRCam)。它是韦布的眼睛,人们需要通过它来捕捉哈勃望远镜也触不可及的深空。
除了这些仪器之外,更难的是让韦布太空望远镜成功展开。 它长20米,高14米,没有办法塞进任何一种火箭。只能折叠起来塞进火箭的整流罩内,等发射上太空之后,再一步一步从折叠体慢慢展开成完全体。
等比例模型对比
因此,韦布太空望远镜发射成功后刚进入太空的前十天,依旧是让科学家无比紧张的十天。展开的步骤中起码有300个容易出错、可能让100亿美元打水漂的地方……
要知道前辈哈勃望远镜所在的点是离地面570公里的近地轨道,出现“近视”的问题还能派宇航员前去修理,韦布基本只能靠自己校正了。
好在一切顺利,韦布望远镜的防光罩顺利展开。今年1月24日,韦布经过150万公里的长途跋涉,终于抵达了拉格朗日L2点,这是一处在地球太阳引力同时作用下保持相对静止,能稳定观测深空的点,我国的嫦娥二号也曾环绕拉格朗日L2点飞行过。
又经历了长达数月的一系列复杂的镜片校准和仪器测试,韦布才终于准备就绪。当科学家看到它传回的第一张照片时,现场一片欢腾,甚至有人被直接感动落泪。
韦布望远镜开工啦!| NASA
按照计划,韦布望远镜将运行10年。不过NASA表示,它完全可以支撑20年。
上面公布的这五组图像,只是韦布正式工作第一周带来的成果。未来的每一周,它都会给我们带来源源不断的惊喜。
这不过是个开场
宇宙的秘密
我们将知道更多
上海新闻广播综合自果壳、都市快报、英国那些事儿等
编辑:玫瑰砂
责任编辑:陈敏