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TRC换ERC:英媒:新型太空望远镜将改写宇宙故事

admin2021-12-1914探索发现

参考消息网12月18日报道 英国《新科学家》周刊12月11日发表题为《詹姆斯·韦伯太空望远镜将如何改写宇宙故事》的文章,作者科林·斯图尔特。全文摘编如下:

10月初,一艘货轮向右转航,离开南美洲东海岸的大西洋水域,进入浑浊的库鲁河。这是此次航行的最后一程,之前为保护船上的珍贵物品一直不遗余力。物品置于特别设计的箱子内,可以在波浪的颠簸翻滚中安然无恙。库鲁河经过疏浚,确保船只不会陷入浅滩。甚至连航程的具体日期都是保密的,以免引来海盗注意。

这批珍贵的货物就是詹姆斯·韦伯太空望远镜,或许是有史以来最受热盼的科学仪器。詹姆斯·韦伯太空望远镜制作时间超过25年,发射也经过无数次推迟。现在它终于完成上述行程,抵达法属圭亚那的发射点。如果一切顺利,最终将于12月末离开地球。“我还有些懵,”欧洲航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜项目科学家托尔斯滕·伯克尔说,“看起来有点不真实。”

制造时光机器

不真实不仅是因为这部望远镜看似永远无法升空,而且因为它被设计为一台时光机,能帮助我们回望宇宙第一批恒星出现的谜之时代,而我们对这批恒星知之甚少。不真实的原因还有,这部望远镜能以前所未见的清晰度揭示环绕其他恒星运行、可能适宜居住的行星的大气成分。不夸张地说,这部装有巨型金箔镜面的望远镜会改变我们对宇宙,以及对我们在宇宙中位置的看法。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的故事始于1995年圣诞节前后。在当年12月的10天中,哈勃太空望远镜凝视着一小块平平无奇的天空。地面望远镜观测显示,天空中的这片区域空无一物。但部分天文学者猜测,有必要更仔细地观察。

这次观察生成了现在所说的哈勃深空场图像,结果显示这片太空挤满了3000个星系,其中包含当时目睹过的最古老星系。而每个星系的能见度都只有人类肉眼的40亿分之一。天文学者没有预料到能探测到这么古老的星系,更没有料到会有那么多。他们的胃口被调动起来,进而制订了一个计划:要更清楚地审视宇宙的青年时期。

1996年初,一群观星者汇聚一堂,着手开发当时所说的“下一代太空望远镜”。这就是后来的詹姆斯·韦伯太空望远镜。而直到现在这部望远镜才有机会送上发射台,项目科学家都长出了皱纹和白发,他们事业的大多数时间都投入了这一个望远镜项目。

就在科学家等待的同时,观察宇宙第一批恒星的渴求也日渐浓厚。恒星在燃烧时内部产生化学元素,恒星寂灭时将这些化学元素喷射入太空,通常是以超新星爆炸的形式。余烬中有些缩合成新一代恒星,周而复始。在所谓的宇宙黎明时刻,第一批恒星是由氢和氦,也就是最简单的元素云形成的。这些恒星逐渐形成较重元素,但速度很慢。问题是,我们对宇宙重元素来自何方的解释不能自圆其说。一种观点是,神秘的第一批恒星在塑造重元素方面的作用比我们想象中更重要。

迄今为止,我们还无法以适当方式观察大爆炸后最初几亿年内出现的恒星,我们所能做的只有间接一瞥。而詹姆斯·韦伯太空望远镜应该能扫除这一切问题,给我们更清晰的视野。哈勃太空望远镜以生成难以置信的视觉材料著称,而詹姆斯·韦伯太空望远镜的首要设计目标是观察最早恒星发射的红外光。我们已经在太空中部署了红外光望远镜,但这次是在大幅升级。英国剑桥大学的罗伯托·马约利诺说:“詹姆斯·韦伯太空望远镜的敏感度比现有或之前的红外光望远镜高出100到1000倍。”他将其比作从伽利略望远镜跃升至现代山巅天文台。他说:“我们将用10年得到现在需要耗时400年的发现。”

放置天空之眼

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然而,说到观测红外光有个重大问题。红外光不仅由古老的恒星和星系发出,所有温暖物体,包括太阳和地球,都会发出。这意味着太空望远镜不能放置在常规地球轨道中,否则地球的热量会掩盖来自古老恒星的微弱光芒。如果那样,就像是在宇宙最喧闹的摇滚音乐会中试图听清一句耳语。这就是为什么詹姆斯·韦伯太空望远镜配备了巨型遮阳装置,也是为什么要将其送入太空中的特殊地点,与地球的距离是地月距离的四倍。如果说詹姆斯·韦伯太空望远镜的海上航程险象环生,那它150万公里的太空之旅才是真正的艰苦卓绝。

这只新的天空之眼也是有史以来最大的太空望远镜。其口径6.5米的主镜比四层楼还高,安装完成后火箭无法容纳。因此主镜由18块六角形镜片组合而成,发射时折叠起来,等到望远镜抵达太空后再展开。美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜项目科学家尼科尔·科隆说:“就像是送上太空的一个巨大的变形金刚。”每块镜片都覆上极薄一层黄金,从而明显提升镜面反射以及聚焦红外光的能力。

詹姆斯·韦伯太空望远镜一直是挫折和争议不断。根据最初估算其耗资为5亿美元,但现在已经飙升至97亿美元。原定于2018年的发射日期也因为遮阳装置和推进器的技术问题而延误,新冠疫情又导致发射日期再三推迟。

总体上讲,发射一而再再而三地推迟让人感到挫败。但也有好的一面:这意味着我们将能以更激动人心的方式使用詹姆斯·韦伯太空望远镜。

探索地外行星

1995年我们还几乎不知道太阳系外存在行星。仅仅在获取哈勃深空场图像的两个月前,才首次发现环绕类似太阳的恒星运转的地外行星。但在此后的25年内,我们已经追踪到超过4000个这样的地外世界,并开始探索它们的样貌。

地外行星过于暗淡和遥远,无法用现有望远镜直接观察。我们往往会观察同样遥远的恒星,每当恒星光线略微暗淡,就将其视为被行星遮挡。恒星的部分光线会穿越行星大气层,特定光频会被大气层中的化学物质吸收。通过观测恒星光线,我们能了解地外行星是什么样子,分析行星大气的构成,甚至感知行星上的天气。这种观测令人向往,因为能告诉我们其他行星是否具备支持生命的适当条件。

迄今为止,我们对地外行星的所有观察几乎都通过可见光。但在红外光中行星大气的化学成分会显示得更清晰,而詹姆斯·韦伯太空望远镜正是探测红外光的最优选项。发射推迟能让设计做出微调,从而更有效地观察外星世界。科隆说:“之前几乎从来没有用这些波长研究过地外行星。”一个尤为激动人心的可能是,在红外光中会清晰显示碳键,碳键是有机化学的明显标志,也是地球生命的“脚手架”。

目前在建的很多其他望远镜也将和詹姆斯·韦伯太空望远镜互为补充。即便如此,有人将詹姆斯·韦伯太空望远镜视为把太多鸡蛋放入一个篮子的冒险之举。为了一部望远镜已经投入海量资金和25年的工夫,现在这部望远镜前往目的地的旅程还风险重重。假如这个项目失败了,看起来还是将这些投入分散到其他项目更为明智。但大体上讲,天文学者还是深感振奋。科隆说:“它会是革命性的,是完全值得的。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜定于2022年中期完成启动程序,然后开始回望过去,注视最早恒星、以及环绕其他恒星的类地行星上的神秘生命。伯克尔说:“我们期待着大吃一惊。我们会看到连做梦都想象不到的东西,这些不能用价钱衡量。”

当地时间2020年3月27日,美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜。(图片来源:视觉中国)

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