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            NASA花了百億美元,只為遙望這138億年前的“未來”

            發布企業:沈陽優樂餐飲管理有限公司 日期:2022-07-13 10:01:13 我要分享:

            誰能想到,這兩天在互聯網上流傳最廣的圖片,

            既不是哪位知名明星爆出的私照,

            也不是“圖圈”當下最火的 NFT 小照片。

            它就是美國宇航局 NASA 的“百億美元相機”——詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發回的首批照片之一。

            這張照片包括了整個 SMACS J0723.3-7327(簡稱0723)星系團當中的數千個星系,它是人類太空觀測歷史上最深,也最清晰的一張照片——你看到的每一個橢圓形的光斑,都是一個和銀河系相當甚至更巨大的星系。

            “然而這張照片所包含的只是宇宙非常小的一個部分,”NASA 局長 Bill Nelson 表示,“如果你捏著一粒沙子,伸直手臂,然后透過雙眼看過去手指之間的縫隙,這張照片所對應的,其實也就是這么小角度里的一小片宇宙。”

            更有趣的是,在照片中你可以觀察到某種“光圈畸變”——那其實正是愛因斯坦等人所提出的“引力透鏡效應”的真實體現,也即光經過引力場時發生類似于透鏡式的彎曲(就像在著名科幻電影《星際穿越》里肉眼看到黑洞“Gargantua”那樣):

            NASA 今天公布的這張照片所包含的,可能是人類迄今為止觀測到的最大尺度的引力透鏡效應。

            在天文和天體物理學家的認知中,巨大的引力透鏡效應預示著在這個角度極小,廣度極大的宇宙一隅之中,有著比其它地方更密集的引力場天體存在,包括星系團和黑洞。

            不僅如此,如果你放大這張照片,仔細查看下圖中暗紅色的天體:科學的紅外觀測結果認為,這個天體所產生的光,經過了大約131億年左右才被韋伯望遠鏡拍攝到,形成這樣一個暗紅色的光斑。

            而已知的宇宙年齡,才138億年左右。換句話說,這個暗紅色的天體,在宇宙誕生之后不久就已經存在了。

            包括密集的引力透鏡效應,以及暗紅色的天體在內——照片所展現出的種種現象,似乎都在告訴科學家們:

            這張照片所拍攝的方向,就是宇宙開始的地方。

            這張照片如此之重要,以至于美國總統拜登和副總統哈里斯,硬是搶了 NASA 原定于美國時間周二的“頭條”,在周一下午開了一個白宮直播發布會,單獨搶先發布了 SMACS 0723 這張照片……

            不過,這次白宮“搶頭條”的做法,也確實讓人們都加深意識到,韋伯望遠鏡以及整個深空觀測的事業對于科學和整個人類的重要意義。

            “在99年我們發射了哈勃望遠鏡,讓深空觀測首次擺脫了大氣層的限制,”美國副總統卡馬拉·哈里斯表示,“而在今天我們終于進入科學發現的新階段。韋伯望遠鏡將讓我們能夠看到太空中更深遠的地方,加強我們對于生命、星系,乃至于整個宇宙起源的了解。”

            | 尋找地外行星

            當被問到對于太空探索最感興趣的問題是什么,相信大多數人都會問出類似的問題:我們人類是宇宙中唯一的智慧生物嗎?

            因此,NASA 將第二張照片的主題定位為地外行星 (exoplanet):

            并沒有錯,它就是 WASP-96 b,一個距離地球大約1150光年,具有大氣層,并且其中有水存在的氣態巨行星。

            在照片中放了圖表,是因為 NASA 并沒有真的拍到它,也沒有足夠多的證據能夠給出一個合理的外觀猜測。不過,圖表當中的數據,已經足以證明這個地外行星存在,并且其大氣層內有水形成的云霧的化學特征。

            據 NASA 透露,WASP-96 b 是一個比較獨特,在我們的太陽系中沒有特別近似行星可以直接對比的地外行星。

            從目前的資料來看,WASP-96 b 上有生命的機會應該非常渺茫:它也圍繞著一枚和太陽接近的恒星公轉,公轉非常短,它的“一年”只有我們地球上的三天半左右,而且溫度也高得離譜——所以幾乎不可能有和我們地球上類似的碳基生命存在。

            但是,一個有水的地外行星存在仍然是極其重要和有意義的發現,更別提韋伯望遠鏡到達預定位置開啟工作之后不久之后就做出了這一發現。“韋伯望遠鏡技術之強大,工作效率之高,是過去哈勃望遠鏡所無法追趕的,”韋伯項目副主任科學家 Knicole Colón 表示。

            | 向生而死,向死而生

            循環往復是一個很普遍的概念,在哲學和宗教等范疇里很容易找到。而在科學上,更是有著名的能量守恒定律,和相對論等一系列發散出的理論和猜想。

            在恒星級別的天體尺度上,循環往復更是一種不變的真理。這一次,NASA 也用韋伯望遠鏡拍下了三張照片,代表天體孕育到死亡再到新生的永恒循環。

            就像《天鵝湖》的悲劇版結局那樣,有些恒星在死亡的那一刻才閃耀出最美的光芒。南環星云 (Southern Ring Nebula,編號 NGC 3132) 就是這樣一個凄美的例子:

            過去的觀測普遍認為,這個星云層疊式的氣體殼,應該是來自于一枚處于“瀕死”階段的白矮星。它無法抗拒重力的崩塌,不斷向外射出氣體和物質殘渣,形成了一層層美麗的行星狀星云。

            在此之前,科學家們有足夠的證據證明南環星云其實是一個雙星系統。但是星云和另一顆亮星的亮度更高,人們反而看不到這些美麗氣體的真正制造者。

            而在這次韋伯望遠鏡發回的照片中(右圖的中紅外成像結果),NASA 也終于首次清楚地看到兩顆星相映成輝。

            NASA 隨后公布的第四張照片,讓我們可以從一個極巨大的視角上,近距離觀測最離奇和有趣的恒星誕生機制。

            這張照片里的主角們,就是著名的史蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet),一個由五個視覺接近的星系組成的星系群。

            為什么說它極為巨大?圖片里有5個星系,站在地球上觀測的話它們合起來的大小只有月球直徑的五分之一,然而這張照片的像素高達1.5億,由接近一千張照片拼接而成:

            雖然說是五重星系,其實這幾個星系當中,真正距離足夠近,以至于產生相互的物理影響的只有4個星系,它們共同稱為 HCG 92。

            這種相互影響也是它最有意思的地方:HCG 92 的四個組成星系之間,雖然大體上依然獨立,但它們之間的引力作用導致星系之間正在發生極為活躍的氣體交換。具體來說,在圖片中間的兩個星系正處在高速的融合過程當中,一個星系的氣體和物質,正在以每小時數百萬公里的速度落入到另一個星系當中。

            歐洲空間局的科學家發現,這種氣體和物質的交換活動導致天體活動極為活躍,從這個區域觀察到的紅外特征,非常強烈地表明這個區域正在加速誕生無數的新恒星。

            這便是“洪荒之力”的最直接體現。

            在宏觀的尺度上觀察這種洪荒之力后,NASA 的第五張照片,則讓我們更加近距離地目睹新生命的孕育。這也是最后一張照片,來自于船底座星云 (Carina Nebula):星云和天體的相映成輝,讓這塊區域顯得像是層層疊疊的山巒,和背景里的星空。

            圖片中展示的是船底座星云的NGC 3324 區域,在這里恒星正在大量誕生。以圖片中靠近中心的紫色亮斑為例,那是一顆正在誕生中的恒星,正在從周遭的星云氣體中吸取物質,瘋狂地“長大”,并且在過程中發生極其劇烈的紫外線輻射。

            而這種劇烈的輻射又對周遭的太空產生了深遠的影響,這也是為什么我們會在圖片的上半部分,特別是“山巒”的附近,看到類似于“蒸汽”的景象。實際上,它們是因為受到劇烈的紫外線輻射而導致離子化的氣體,以及由于各種原因出現的高溫物質顆粒(如其它恒星衰老死亡之后的殘骸)。這些氣體和顆粒又在引力的作用下,被“推”到了圖片靠下部分更稠密的星云當中,被這里更加密集的誕生中的恒星所吸收,形成了宇宙中物質的“循環利用”。

            作為一座著名的“天體搖籃”,NGC 3324 就是這樣一番融合了暴力和美麗的景象。

            如果說剛才的 SMACS 0723 星團照片,展示的是宇宙最古老和神秘的原初景象,那么這張船底座星云照片則正好相反,帶我們飽覽了宇宙中最年輕的一個角落,所體現出的盎然生機。

            在這張照片里有很多 NASA 已經能夠看懂的事物,也仍然還有很多它還看不懂的地方。項目副主任科學家  Amber Straughn 指著照片中一塊暗色突起的部分,“比如這塊地方究竟正在發生什么?我們仍然不知道,這張照片的數據和信息真的是太豐富了。”

            | 探索宇宙,為了尋根,更為了未來

            通過五張照片以及它們各自的主題,NASA 其實講述了一個宇宙不斷循環往復的故事。

            拍下這些照片的韋伯望遠鏡,美國乃至全球天空探索歷史上最昂貴的項目之一。這個項目啟動之后跳票了整整14年,到去年圣誕節才終于發射,當時已經嚴重超支至少20倍,生命周期總耗費高達100億美元。

            好在,韋伯望遠鏡并沒有讓大家失望。這樣一臺正式啟用沒多久的觀測設備,已經為人類增添了許多嶄新的宇宙知識,和前所未有的觀測視角。項目組成員 Jane Rigby 透露自己第一次看到傳回的照片的時候,“哭的稀里嘩啦的”( I went and had an ugly cry)。

            100億美元的確是一筆不小的數目,因為為了實現目標,韋伯望遠鏡必須實現許多前所未有的技術突破。

            比如為了觀測數十億光年之外的星體,探測到它們發射過來殘留的極其微弱的紅外線,望遠鏡必須有一個巨大的反射鏡,但為了能夠放在火箭負載里發射上天,不得不分割成18個六邊形的小鏡片,到了太空里再呈蜂窩狀展開到大約6.5米的直徑。

            鏡片的基底材質采用了特殊合成的石墨環氧樹脂,主要的反光材料則為鈹 (拼音:pi2,化學符號 Be),一種在宇宙中較為稀少的元素,再加上表面涂了一層只有大約700個原子厚度的金,因為金對于紅外線的反射效果更強。

            在使用的時候,每一個鏡片上的上千個微小的“快門”都要在60開爾文(約-213℃)以下的工作溫度能夠獨立開關,鏡片角度也要微調,可以說在電機微控方面實現了壯舉。

            為了保護鏡片和鏡頭的低溫敏感程度,韋伯望遠鏡的四邊形遮陽罩尺寸約為21x14米,最長的對角展開幾乎達到了網球場的長度,材質則為杜邦開發的 Kapton 高強度化合化合纖維絲+鋁箔和其它隔溫化合物涂層,一共五層。

            這種結構的隔溫效果極好,即使在對著太陽的一面達到125度,靠近望遠鏡本體的這一面仍然能夠維持在-235℃。

            正是為了確保望遠鏡的觀測效果,不讓已經花掉的錢打水漂,項目研發人員不得不燒掉更多的錢,確保萬無一失。

            更重要的是,這些花費并不只適用于望遠鏡本身,韋伯項目許多技術創新突破的成果,比如近紅外和中紅外探測技術、波形識別和過濾算法、完全被動的冷卻技術、微型機器人技術等,可以用于其它高科技和民用場景。

            比如,NASA 和代工方的工程師們發明了一種精確快速地測量并打磨鏡片的方法,這項技術現在已經投入到最先進的激光眼部手術中。

            有人可能會問:難道我們不應該把更多的錢和精力,用于打造更好的未來嗎?為什么要花上百億美元,把鏡頭對準幾十億年前的天空?

            一個角度是,這樣做體現了人們對“尋根”的追求。

            在大的尺度上,尋根并不只是人文,更是一種科學的追求。人類作為一個物種,作為我們已知的宇宙世界中目前唯一的行星級智慧生物,當然也會應該去進一步了解宇宙到底是如何誕生的,生命的起源究竟是什么。

            了解了天體的生老病死的內在機制,能夠幫助人類更好地發現和理解宇宙萬物運行的規則。掌握過去,掌握規則,我們才能打造更好的未來。

            韋伯望遠鏡,以及在它之前的哈勃和史匹哲望遠鏡,和在它之后的更高科技的深空觀測設備,將幫助我們在這一永無止境的科學探索道路上,踩下一個又一個更堅實的腳印。


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