130多亿年前的宇宙景象如何？韦伯望远镜带着第一批明信片来了
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2022-07-15 18:10
昨天上午，詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄到的第一张全彩色图像被拜登提前剧透了。
这张图像显示的是SMACS 0723，展示了位于南天的飞鱼座（Volans），是一个还未被广泛研究的地带。从照片上可以看到它周围的众多星系和很多弧线，这些弧线，被称为“爱因斯坦环”，是极大质量的前景星系团放大和扭曲了背后星体的光造成的。这张照片通过多种不同波长图像的叠加，展示了130多亿年前的宇宙景象。
NASA 局长 Bill Nelson 在白宫的最后一分钟特别简报会上对拜登形容说：“总统先生，如果您将指尖上的一粒沙子放在一臂远的地方，那就是您所看到的宇宙的一部分。”
也就是说，照片实际覆盖的区域，从地球上看，大约只是手指尖上的一粒沙这么大，却包含了如此多的广袤深邃的内容。有人做了个对比图，把那张照片直接镶嵌在了天空里。
即使如此，却也有数千个星系，真可谓是“一沙一世界”。
韦伯的这张照片，是迄今为止人类看到的最遥远、最清晰的宇宙图像。其中一些星系发出的光行进了130亿年，才达到望远镜的镜面。要知道，宇宙大爆炸距今也才138亿年左右。
韦伯的首秀，也成为了人类窥视宇宙大爆炸的开始。更广袤深邃的宇宙图景，正在人类面前缓缓展开。
上文提到的SMACS 0723这张照片如此之重要，以至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”，提前开了一个白宫直播发布会，单独抢先发布……
直到昨天晚上，韦伯拍摄的第一批完整彩色照片，终于露出了庐山真面目。如此高清全彩的图像，让人直呼韦伯“一百亿没白花”。
WASP-96b：地外行星
NASA发布的第二张照片名叫“地外行星”。
图源：NASA, ESA, CSA, STScI
等等，行星在哪里？这组图其实是由韦伯望远镜NIRISS探测到的透射谱组成的散点图。虽然NASA没有直接拍到这个地外行星的外观，但是图表中的数据足以证明这个地外行星的存在，以及在其大气层内有水形成的云雾。种种证据指向WASP-96 b，一个距离地球大约1150光年的气态巨行星。
图源：NASA, ESA, CSA, STScI
目前来看，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，公转周期非常短，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地球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极其重要的发现，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 说。
南环星云：向死而生
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最美的光芒。南环星云就是这样一个凄美的例子。
这张照片也通过韦伯的NIRCam(左)和MIRI(右)捕捉，是位于2000光年外的南环星云及其中央的一对双子星。图上，这两颗暗淡、垂死的恒星正在喷出气体和尘埃。
图源：NASA, ESA, CSA, STScI
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 也终于首次清楚地看到两颗星相映成辉。
斯蒂芬五重奏：宇宙舞蹈
第四张照片，让我们可以从一个极特别的视角上，近距离观测最离奇和有趣的恒星诞生机制。
为什么说它极为特别？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。照片里的主角们，就是著名的史蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet），一个由五个视觉接近的星系组成的星系群。
这是由NIRCam和MIRI捕捉的照片，2.9亿光年开外，五个星系相互围绕着，其中四个在太空深渊中经由引力拉扯和伸展，在宇宙深渊中跳着奇异的“舞蹈”。
图源：NASA, ESA, CSA, STScI
船底座星云：新生
第五张照片，则让我们更加近距离地目睹新生命的孕育。这也是最后一张照片，来自于船底座星云 (Carina Nebula)：这片星空背景下“山脉”和“山谷”闪闪发光的美丽景观，实际上是船底座星云中一个名为NGC 3324的恒星形成区域的边缘图像。
图源：NASA, ESA, CSA, STScI
事实上，婴儿恒星的形成阶段是很难被捕捉到的，因为该阶段只持续5-10万年，但是韦伯的NIRCam以其超高的分辨率和灵敏度，首次揭示了恒星诞生区域的样貌。紫外线辐射和恒星风形成了巨大的尘埃和气体墙。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”，并且在过程中发生极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”。
作为一座著名的“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SMACS 0723 星团照片，展示的是宇宙最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最年轻的一个角落，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。”
从恒星的创生到死亡，韦伯都给予了有史以来最高清最细节的记录。卡尔·萨根说的一句话正在成为现实：“在某个地方，一些令人难以置信的事情正等待着人们知道。”（Somewhere, something incredible is waiting to be known.）
去年12月25日，号称“一代鸽王”的韦伯望远镜，历时25年，耗资100亿美元，在20国科学家的通力合作下，终于发射升空。
作为迄今为止规模最大、最复杂、最具挑战性的太空望远镜，由于各种挫折和多次推迟，韦伯的发射也足够吊人胃口，被天文迷们看作是来之不易的“圣诞礼物”。
烧钱确实有烧钱的道理，作为哈勃太空望远镜的“继任者”，韦伯在尺寸和技术上都逾越了重重难关，成为人类历史上看得最远的望远镜。
图源: NASA
首先，为了收集并且聚焦来自最遥远星系的百亿年前的微弱光线，主镜必须足够大、足够光滑。
其次，百亿年前的古老星光在穿越了不断膨胀的宇宙空间之后，已经被大大拉长了成为了红外线——原子振动时发出的光，而人类身体、大气以及地面都会辐射出同样的红外线。为了避免本地热源的干扰，这面大镜子必须非常冷，发射到寒冷的太空是唯一选择。
但是，没有火箭能装下一面像房子那么大的镜子，所以镜子必须被折叠起来。科学家们把大镜子分割成了18个六边形组成的蜂窝阵列。其次，镜子应该足够轻。科学家采用了铍这种元素，比钢强六倍，但只有铝的三分之一密度，轻且坚硬，在低温下也不会变形。铍粉被压成块，然后被切割成形，最后镜片上再覆一层黄金，这样才能更好反射红外线。最后制成的小六边形镜面，轻到用手就可以提起来。
但送上了太空还没完，为了不同的镜片产生的图像可以匹配和重叠，镜片在太空中展开后，需要排列到一个完美的地步。Ball航空航天公司提供的制动机能以10纳米的精度推动镜面，这个宽度仅为头发的万分之一。
另一个明星是遮阳罩。在它的反射下，当太阳光照过来时，只有极少数的热量会渗透过来，保障望远镜能在持续低温的稳定状态下工作。
它既是红外望远镜的唯一希望，也是它的致命弱点。为了遮住屋子一样大的主镜，遮阳罩展开得有一个网球场那么大。要在火箭的承重范围内，遮阳罩只能由薄织物组成。
图源/NASA
然而薄织物是不确定的，它的运动不可能被完全控制，如果遮阳罩在展开时被钩破，整个望远镜都会变成一坨太空垃圾。
材料，研究小组选了Kapton，一种光滑的银色塑料，看起来很像薯片袋的内层，厚度只有人类头发的直径。Kapton的撕裂风险不低，因此需要很多层作为冗余ーー研究小组决定安装五层。一个由吊臂、电缆和细绳所组成的系统，将把这五层遮阳罩都充分展开，分离并系紧。
首席工程师迈克尔•门泽尔(Michael Menzel)形容这件事有多难：“如果是刚性的东西，比如一扇门，你安上一条铰链，就可以预测它的运动方式。小菜一碟。但现在给你的是一条软的毯子。在床上推一条毯子，然后试着预测它会变成什么形状？太可怕了。同样的事情也发生在绳子上——每一根拉紧遮阳罩的绳子，可以有一百万种不同的运动方式。更糟的是，在零重力状态下，这些东西可以跑到你不希望它去的地方。”
大约在2004年，2位NASA工程师来到门泽尔的办公室，说他们有办法。其中一人拿起门泽尔桌上的一张纸，把它折成Z字形。遮阳罩可以折叠成许多这样的Z字形，也就是“手风琴式折叠”。门泽尔觉得这个办法行得通。
下一个问题是，如何保持遮阳罩处于手风琴折叠状态，直到做好准备时再展开。另一位工程师安迪找到了解决办法：107根固定针，可以像猫的爪子一样缩回。
固定针又带来了另一个棘手的问题：针会造成针孔。如果在展开后，所有五层Kapton上的针孔恰好排成一条直线，就会让阳光通过，加热望远镜的光学器件。
门泽尔说：“这是个之前根本想不到的小细节，直到你开始做了才发现，天啊，五个针孔有可能排成一列，这事听起来不大，但把安迪搞到借酒浇愁。谢天谢地，他后来想通了。”安迪勤勤恳恳测试了许久，终于找出了一种方案，使得五层大小各异的Kapton遮阳罩不论怎么展开，上面的针孔都不会排成直线。
图源/NASA
在将无数个看似不可能的任务变成可能之后，在阿丽亚娜火箭的搭载下，韦伯去往了黑暗寒冷的遥远太空。行程耗时整整30天，只为了到达日地第二拉格朗日点L2。这个点距离地球足足150万公里。
好处是，受到的地球和太阳引力之和刚刚好，能让韦伯和地球同步绕太阳公转；同时，月球、地球和太阳都位于同方向，便于韦伯架设起巨幅遮阳罩，屏蔽这些热源的干扰，在零下223摄氏度的深寒状态中，更好探测宇宙黎明时的微弱热量。
坏处是，韦伯望远镜成了“一锤子买卖”。哈勃望远镜出了问题，宇航员还能去距离仅559公里的低地球轨道维修，但是韦伯出了任何问题，科学家和工程师们只能抱头痛哭。
这个项目的首席科学家，诺奖得主、天体物理学家约翰·马瑟（John Mather）说：“我们已经尽力去发现所有的错误，进行测试和演习，此刻，我们将把价值数十亿美元的望远镜放在一堆爆炸物上。”
经过数月的对齐、校准和设备调试，韦伯终于在这个夏天传回了它的首秀照片。
SMACS 0723这张照片由韦伯望远镜的近红外相机（NIRCam）拍摄，再用不同波长的照片合成，耗时12.5小时。要是用哈勃太空望远镜来拍摄，则可能需要数周的时间，而且在细节方面欠缺不少。
有好事的网友“随手”截了几处图像（左排），跟哈勃望远镜拍摄的同一天区（右排）作了个对比。在图像的清晰度方面，韦伯明显已经妥妥“秒杀”哈勃。
图源：c_victor_astro
韦伯的原理与哈勃等望远镜不同，它基于红外成像，观测人眼不可见的电磁光谱区域（红外区域）发出的光。
它总共搭载了四种科学仪器：红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、近红外相机（NIRCam）、近红外成像仪和无缝摄谱仪（NIRISS ）。
它不仅可以聚焦遥远的星云、星系团甚至系外行星，看清以前从未见过的微小结构，也可以帮助分析星系的质量、年龄、历史和成分。
由于宇宙在不断膨胀，最古老的恒星以及被它们照亮的事物，只会以红外光的形式出现。韦伯有望观测到大爆炸后仅几亿年形成的首批星系，观测宇宙的初期状态。
可以说，在韦伯之前，人类从未如此靠近了解宇宙的时间线。
韦伯的科学仪器收集到的信息，每天可以产生高达 57 GB 的数据（实际数量取决于计划的观测内容）。
在其生命周期内收集的任何科学数据，都需要存储在飞船上，因为航天器不会与地球保持全天候的联系。从其科学仪器收集的数据一旦收集，就会存储在航天器的 68 GB 固态驱动器中（3% 用于工程和遥测数据）。
板载存储足以在空间用完之前收集大约 24 小时的数据。因此，在这之前，韦伯将安排机会将这些宝贵的数据发送到地球。
在150万公里外，韦伯要完成日均57GB的数据储存和回传。
为了准确可靠的传输，科学家采用K a波段频率来传输数据，这也是第一个使用K a波段频率来实现距离地球如此之高的数据速率的任务。
韦伯通过深空网络(DSN)与地球保持联系——这是它与帕克太阳探测器、凌日系外行星测量卫星、航海者探测器以及整个火星探测器和轨道飞行器共享的资源。
韦伯与地球的通信包含一个确认协议——只有在韦伯确认文件已成功接收后，它才会删除其数据副本以清理空间。
“今天代表着探索我们宇宙的一个激动人心的新篇章，”美国副总统卡玛拉·哈里斯说。“从有史以来，人类就带着奇迹仰望夜空，多亏了几十年来一直致力于工程和科学奇迹的人们，我们才能以新的理解仰望天空。”
按照计划，韦伯将至少服役10年。
韦伯的使命，是帮助人类绘制宇宙的时间线。宇宙第一颗恒星什么时候、在哪形成？系外行星有生命存在吗？.......这些人们对宇宙的最根本的疑问，极有可能在韦伯那里得到答案。
这个人类史上最强太空望远镜，足以引领人类走进全新的天文学时代。华盛顿 NASA 总部韦伯项目科学家 Eric Smith 说：“这些图像将是数十年奉献、才华和梦想的结晶——但它们也只是一个开始。”
References:
1）Natalie Wolchover, The Webb Space Telescope Will Rewrite Cosmic History. If It Works,
www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203 , 翻译/游识猷的微博
2）《人类史上首次发布深空宇宙高清图像！来自造价 100 亿美元的最贵「相机」》作者/ 张成晨，爱范儿（ID：QbitAI）
3）《NASA发布史上最深的宇宙全彩照！韦伯如何回传150万公里外的太空数据？》 作者/Mickey，大数据文摘（ID：BigDataDigest）
4）《宇宙大爆炸后一瞬首次清晰拍到！造价百亿美元的韦布望远镜，发布130亿年前的太空图景》 作者/杨净、丰色，量子位（ID：QbitAI）
5）《NASA花了百亿美元，只为遥望这138亿年前的“未来”》作者/光谱杜晨，硅星人（ID：guixingren123）
6）Webb's First Images Gallery, Space Telescope Science Institute.
https://webbtelescope.org/news/first-images/gallery
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