詹姆斯·韦布望远镜:一位科学家解读首批图像及其将如何改变天文学

The James Webb telescope.
NASA has released the first observations from the new James Webb Telescope.Image: NASA/Chris Gunn
本内容由人工智能自动翻译。
  • 经过数十年的研发,詹姆斯·韦布望远镜的首批科学观测成果已公布。

  • 这台望远镜拍摄的图像质量很高,细节清晰度前所未有。

  • 科学家希望,这些图像将彻底改变我们对宇宙的认识,帮助我们发现恒星和星系是如何形成的。

经过数十年的研发,以及一路上的多次试验和挫折,詹姆斯·韦布望远镜终于开始实现它的使命。7月12日,美国国家航空航天局(NASA)公布了由这项任务搭载的一系列仪器获取的首批科学观测成果。我们热切期待,这标志着天文学新时代的开端。

在令人屏息的发射于圣诞节当天完成后,团队接连执行了一系列关键部署,以展开望远镜及其遮阳罩。任何一项操作若告失败,詹姆斯·韦布望远镜就可能沦为无法使用的灾难性工程。但整个计划执行得十分完美,过程比我们任何人敢于希望、遑论预期的都更加顺利、成功。

这不仅体现了项目工程师、技术人员和科学家的精湛技能,也凸显了在地球上开展测试计划的重要性:测试用于核验操作流程,偶尔还会发现必须在发射前解决的问题。虽然这有时导致工期延误和成本增加,但最终造就了一台完美的望远镜。

7月,望远镜结束检查和测试阶段,开始投入运行,成为它多年来一直计划建成的那座非凡天文台。我们这些参与了整个历程、即将研究观测数据的人,已经迫不及待了。

詹姆斯·韦布望远镜:清晰图像

新公布的“早期发布观测”由一个国际委员会选定,委员会成员来自美国国家航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)、加拿大航天局(CSA)和空间望远镜科学研究所。这些观测是一个计划的一部分,旨在展示望远镜将开展的广泛科学研究。

看到这些新图像令人非常兴奋——我没想到图像能如此清晰、细节如此丰富。终于获得这样高质量的数据,实在令人欣喜。

美国总统乔·拜登公布了这张令人惊叹的SMACS 0723图像。这是一个由数千个星系组成的星系团,图像于7月11日发布。前景中庞大的星系群会放大并扭曲其后方天体的光线,帮助我们回望过去,观测极其暗弱的天体。

图像展现了这个星系团46亿年前的样貌。不过,图中更遥远的星系(看起来被拉伸的那些)已有约130亿年历史,而我们掌握的关于它们的数据,已经超过了关于其他任何古老星系的数据。

这类图像将帮助我们了解最早的恒星和星系如何形成。其中一些可能是已知最遥远的天体,来自宇宙初始时期。这是一张由不同波长的观测结果合成的“彩色”图像,由望远镜上的近红外相机(NIRCam)拍摄。

詹姆斯·韦布望远镜拍摄的这类图像,将帮助我们了解最早的恒星和星系如何形成。Image: NASA、ESA、CSA 和 STScI

詹姆斯·韦布望远镜还捕捉到了斯蒂芬五重星系的一瞥。这是五个正在合并的星系,位于飞马座,距离我们约2.9亿光年。图像还显示,中心可能有一个超大质量黑洞,并呈现了恒星诞生的景象。这些数据将告诉我们更多关于星系如何演化,以及超大质量黑洞以何种速度增长的信息。

斯蒂芬五重星系,由五个正在合并的星系组成,位于飞马座,距离我们约2.9亿光年。图像由詹姆斯·韦布望远镜拍摄Image: NASA、ESA、CSA 和 STScI

下一张图像展示的是船底座星云,见下图。它是最大、最明亮的星云之一(恒星在其中诞生的尘埃和气体云)。詹姆斯·韦布望远镜可以利用红外光深入尘埃内部,揭示此前从未见过的恒星育婴室内部景象,从而进一步了解恒星如何诞生。

船底座星云位于南天船底座,距离我们约7600光年。图像展现了数百颗全新的恒星(每个光点都是一颗恒星),以及它们形成的喷流和气泡。我们还看到了目前无法解释的细节。

詹姆斯·韦布望远镜拍摄的船底座星云,它是最大、最明亮的星云之一。Image: NASA、ESA、CSA 和 STScI

下一张令人惊叹的图像展示的是南环星云,也称“八次爆发”星云,是一种行星状星云——围绕一颗垂死恒星、不断膨胀的气体云;在此例中,云中有两颗彼此绕转的垂死恒星。它的直径接近半光年,距离地球约2000光年。

图像中泡沫状的橙色外壳是分子氢(两个氢原子结合形成的气体),蓝色中心则是带电气体。在右侧图像中,可以看到中心的两颗垂死恒星,这让我们得以以前所未有的细节研究恒星的死亡。

南环星云,也称“八次爆发”星云,两颗垂死恒星彼此绕转。Image: NASA、ESA、CSA 和 STScI

这些新数据源自数月来细致的测量和测试,目的是在部署之后让詹姆斯·韦布望远镜做好准备,作为科学工具投入使用。第一步是对每块镜面分段的图像进行聚焦和校准。望远镜的每台科学仪器——NIRCam、近红外光谱仪(NIRSpec)和中红外仪器(MIRI)——也都已启动并经过测试。

这些仪器在不同波长观测深空,因此必须与望远镜一同降温,否则它们会辐射背景热量,干扰对天体的灵敏观测。最后启动的是MIRI,它的工作温度最低,仅比绝对零度高7度;达到这一温度花了数月时间。

望远镜的尺寸——也就是口径——是决定图像最终质量和可观测细节的关键因素。口径越大越好。地面上已经建成了口径最大达10米的大型望远镜。

然而,大气会干扰到达詹姆斯·韦布望远镜的光线,使望远镜难以达到极限分辨率。此外,地球夜空中的背景光会限制望远镜的灵敏度,也就是限制我们能够看到的最暗弱天体。

詹姆斯·韦布望远镜的口径为6米,是迄今发射入太空的最大望远镜。它位于距地球100万英里的观测点,不受地球大气影响,预计将为我们呈现迄今所见最清晰、细节最丰富的宇宙景象。毫无疑问,它将彻底改变我们对宇宙的认识,正如它的前身哈勃太空望远镜曾经做到的那样。

授权与转载
世界经济论坛发布的文章,可依据《知识共享署名-非商业性使用-禁止演绎4.0国际公共许可协议》以及我方《使用条款》进行转载。 本文所表达的观点仅代表作者个人立场,并不代表世界经济论坛的观点。