詹姆斯·韦伯空间望远镜将如何让我们看到更多未知的宇宙?

2021年12月02日 11:15 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间12月2日消息,詹姆斯·韦伯空间望远镜,这台备受期待的太空望远镜、带有革命性的新望远镜,在成本不断膨胀和几经延迟发射之后,终于有望隆重登,NASA确认,韦伯望远镜的发射可能将于12月22日左右发射,这台望远镜的发射,已经推迟了十年之久,造价也大幅超出预算约90亿美元。

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韦伯望远镜在太空中的设想图。

韦伯望远镜在太空中的设想图。

议员们和科学家们都在担心,该项目可能会侵占其他研究领域的资金,但也有许多其他科学家们相信,韦伯望远镜的高成本和漫长等待都是值得的。

韦伯望远镜的构思灵感来自哈勃太空望远镜。哈勃太空望远镜是一台拥有31年历史的天文望远镜,曾拍摄到许多令人惊叹的宇宙星系照片,韦伯望远镜弥补了哈勃的不足之处。到目前为止,还没有像韦伯这样的望远镜,这台新的天文望远镜,预期将从赤道附近的法属圭亚那北部发射,当你看到韦伯进入太空时,这是人类的创造力和所有学科力量的集中体现。

这个最新的空间望远镜也因为两个功能而独一无二。首先,韦伯望远镜很大。它有一个直径21.3英尺的主镜。这面巨大的主镜,将使得韦伯望远镜成为人类有史以来建造的看得最深远的望远镜。其次,韦伯望远镜采用红外线观测宇宙。红外线是波长比可见光稍长的电磁波。所以,韦伯望远镜将是太空中唯一一台可以进行远距离观测的红外线望远镜。能力和韦伯望远镜最接近的哈勃望远镜,主要在可见光范围内工作,红外观测范围有限。

多亏了韦伯望远镜的巨大尺寸和红外观测,未来天文学家们将有机会以下面五种方式探索宇宙。

鲁宾星系,距离地球2.32亿光年之外。

鲁宾星系,距离地球2.32亿光年之外。

了解早期星系的形成和发展

望远镜的一个重要用途实际上和时间机器差不多,因为距离就是回顾时间。研究人员打算使用韦伯望远镜的摄像机去“时间旅行”,回到宇宙大爆炸之后早期星系形成的那一瞬间。

当我们在观察几光年之外的遥远星系时,我们看到的并非星系最近的状态。以光年为单位的距离,其实就是该星系发出的光到达我们的地球所需要的年数。例如,离我们最近的星系是大犬座矮星系,距离我们大约2.5万光年。因此,大犬座矮星系发出的光,需要经过2.5万年才能到达地球。这意味着,当我们观察大犬座矮星系的时候,我们看到的其实是大犬座矮星系在2.5万年前的样子。

科学家们对太空的观测越深远,他们能看到的星系越古老。韦伯望远镜是迄今为止观测距离最远的望远镜,可以发现人类可以观察到的最早星系。为了了解星系的形成,艾森斯坦等科学家将观测数个处于不同生命阶段的星系,然后将它们的发展时间整合到一起。

韦伯望远镜的红外观测能力对于观察这些星系也至关重要。来自遥远星系的光会被膨胀的宇宙拉长。等光线抵达我们的望远镜时,光的原始波长会从可见光或紫外线转变成红外线。幸运的是,接受红外信号正是韦伯望远镜的拿手好戏,这是人类第一次在太空使用大型冷望远镜来观测这些红外波长。

哈勃太空望远镜已经成功捕捉到从遥远星系发出的最蓝的光芒中延伸出来的波长最短的红外线。而已退役的斯皮策红外线太空望远镜比韦伯望远镜要小很多,无法看到遥远的太空。韦伯望远镜在深入太空和回望太空这两方面尤其出色,届时韦伯望远镜或可以捕捉到正处于成长过程中的遥远星系。

系外行星设想图。韦伯空间望远镜可以让科学家寻找系外行星上的生命迹象。

系外行星设想图。韦伯空间望远镜可以让科学家寻找系外行星上的生命迹象。

寻找其他行星上可能存在的生命化学特征

如果地球以外存在生命,那么这些生命会释放出独特的化学特征,例如通过呼出二氧化碳和光合作用产生氧气,从而改变行星。分析行星大气中的化学物质不仅可以帮助科学家们寻找生命,也能让他们评估一颗行星的宜居性。

韦伯望远镜可以检测红外波长,以识别太阳系之外的行星——系外行星——大气中存在的水和甲烷等化学物质。

韦伯望远镜上的两种仪器,可以让科学家们破解来自太阳系之外的红外信号波长。望远镜在观察某一颗恒星时,如果有系外行星抢镜头,恒星光的某些能量会下降,并且受影响的能量与系外行星的大气化学物质相对应。如果韦伯望远镜碰巧在对的时间观察对的恒星,那么它可以通过分析恒星光中的光点,来分析该恒星的行星大气化学组成。

系外行星科学作为一个研究领域的时间并不长。自1992年首次发现系外行星以来,科学家们已经在宇宙中发现数千颗奇异的星系,它们无处不在。

但是,人类对这些系外行星的了解,也只是停留在知道它们的存在而已。基于当前的技术,比如哈勃望远镜或其他地基红外线望远镜,对我们感兴趣的新系外行星进行红外光谱分析十分困难。与韦伯望远镜相比,哈勃望远镜的红外能量带要窄很多。地基望远镜则会受到地球大气的影响,地球大气层本身也会吸收和分散红外光。另外,地球也会发出背景红外辐射,会淹没来自深太空的微弱信号。但是,在太空中,韦伯望远镜不会有这些烦恼,同时韦伯望远镜还将用来研究各种木星或海王星大小的系外行星。

哈勃望远镜在可见光(左)和红外线(右)下观察到的鹰星云中的“创生之柱”看起来截然不同。韦伯望远镜的红外观测可以让科学家们透过恒星摇篮的尘埃面纱,捕捉恒星形成的画面。

哈勃望远镜在可见光(左)和红外线(右)下观察到的鹰星云中的“创生之柱”看起来截然不同。韦伯望远镜的红外观测可以让科学家们透过恒星摇篮的尘埃面纱,捕捉恒星形成的画面。

观察恒星的诞生

恒星的诞生之地满是尘埃。尽管拍摄出来的照片确实瑰丽壮观,但当科学家们以可见光观察这些云团时,尘埃会阻止科学家们一探云团中心的究竟。好在恒星发出的红外光可以穿透尘埃,让科学家得以有新的办法去探索曾经的画面。

红光在地球大气尘埃中的穿透能力优于其他波长更短的蓝光,相同的原理也解释了为什么红外光比可见光在尘埃笼罩的星系中穿透得更远,如果你看落日,你会发现此时的太阳要比白天的时候更红彤彤,原因是一样的。

但是,哈勃望远镜有限的红外观测能力只是触及恒星形成研究的皮毛而已;韦伯望远镜更广泛的红外观测范围可以让科学家们更深入地观测尘埃。

恒星诞生于尘埃最密集之处,那里也最难看透。但得益于韦伯望远镜的高红外灵敏度和惊人的分辨率,科学家们或许能够透过尘埃,以前所未有的细节辨认这些“襁褓中的”恒星。或许,韦伯望远镜还能帮助科学家弄清楚尘埃是如何孕育出恒星的,以及恒星为何以星团的形式形成,还有行星是如何围绕一颗恒星形成的。

M87星系中央的超大质量黑洞,这是人类史上第一个捕捉到的黑洞影像。韦伯望远镜可以帮助科学家观察围绕黑洞运行的恒星。

M87星系中央的超大质量黑洞,这是人类史上第一个捕捉到的黑洞影像。韦伯望远镜可以帮助科学家观察围绕黑洞运行的恒星。

从不同的角度研究黑洞

任何东西都无法逃离黑洞,光也 不行;所以从技术上来讲,黑洞是看不见的。不过,我们可以看到围绕黑洞运行的各种物体——恒星、尘埃和整个星系。为了研究黑洞,科学家们仔细观察了这个恒星乐园,类似于通过研究阴影来了解投下阴影的物体。

过去,科学家们曾使用X射线望远镜来研究黑洞的特点物理类型。这些望远镜观察的是温度高达数百万度且足以产生X射线的现象,比如恒星在太靠近黑洞时被猛烈地撕碎等。韦伯望远镜的红外仪器可以让科学家们观察黑洞角落里发生的其他事件,特别是较低温度的气体和恒星在黑洞周围的活动。

恒星聚集的地方是一片尘埃;幸运的是,韦伯的红外线眼睛可以穿透尘埃,提供宝贵的数据,来帮助科学家们了解黑洞周围恒星的温度、速度和化学组成。科学家们然后可以用这些数据来了解更多关于黑洞质量和大小的信息,以及黑洞如何吞噬恒星的信息。

出人意料的其他发现

就尺寸、灵敏度和波长范围而言,韦伯望远镜独一无二。所以,韦伯望远镜有很大机会,可以为科学家们带来他们从未见过的东西,或许是完全颠覆现有宇宙理论的现象。

许多科学家都在祈祷韦伯望远镜成功发射一样,他们等不及想看到韦伯望远镜进入太空。很多人从2001年开始参与韦伯望远镜的构想,他们希望在自己决定退休之前,可以看到这一切的尘埃落定。

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