王多鱼都得犹豫!用100亿美元拍几张照片是什么体验?

潇湘晨报 2022年7月14日 ·湖南

王多鱼都得犹豫!用100亿美元拍几张照片是什么体验?

潇湘晨报 ·2022年7月14日

你是谁,从哪里来,要到哪里去?

经典哲学三问,有些人低头沉思,有些人则望向天际。

NASA举起了手,说有个小项目,要把一个口径6.5米的望远镜送去距离地球150万千米的第二拉格朗日点,或许可以观测到今天可见宇宙的初期状态。

什么样的望远镜?什么第二拉格朗日点?什么叫观测到可见宇宙的初期状态?翻译一下,就是要花100亿“刀”去拍照片给你看看宇宙诞生之初的图像,但钱花了也不一定能拍得到。

距离的遥远无法派宇航员进行维修保养,未来的测试中还可能发现未知问题,稍稍不慎就会制作出一滩“太空垃圾”。100亿美元或打水漂,最大胆的风险投资人也未必敢对赌。

嗨!拍吧!“王多鱼投了”!为了回答每一个人的哲学三问:生命的起源,地球的归宿,浩渺宇宙中星星点点是否还有其他殷切的期盼。况且宇宙本身就是终极浪漫——因为热爱星辰,我们不惧黑夜。

价值百亿的全彩图像

当地时间712日,美国国家航空航天局(NASA)公布了发射于去年1225日的詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)拍摄的首批全彩图像。据NASA的说法,该耗资近100亿美元,重7吨,主镜直径6.5米的的巨型项目为人类呈现的是迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。

照片中这片深邃神秘的宇宙空间,从地球上看大约只有指尖上一粒沙那么大,但这背后却暗藏玄机。

拜登选择发布的SMACS 0723

这张星系团SMACS 0723被称为韦伯的第一个深场,图像细节极为丰富,在照片中,每个光点都是一个充满约 200,000,000,000 颗恒星的星系。

数以千计的星系第一次出现在韦伯的视野中,这片广阔的宇宙覆盖了大约一粒沙子大小的一片天空。

NASA局长纳尔逊在白宫说:“如果你把一粒沙子放在指尖一臂远的地方,那就是你看到的宇宙的一部分,只是宇宙中的一个小点。”

而这一个小点就涵盖了我们所在的星系,所在的共有的生存环境,所见到的所有的人和物的合集,所有的悲欢离合,所有的喜怒哀乐,所有的所有,在这张照片上如一粒沙子般呈现。

从“鸽王”到“韦神”,26年辛苦不寻常

命运多牟的詹姆斯·韦布空间望远镜项目启动于1996年,起初称为“下一代空间望远镜”,2002年改为现名,以纪念美国国家航天局的第二任局长詹姆斯·韦布在阿波罗计划中发挥的关键性领导作用。

按原计划,詹姆斯·韦布空间望远镜本应在2007年发射,初始预算5亿美元,但后因预算等问题不断推迟。从1996年立项至今扩大10次预算到百亿美元,推迟发射十四次,是名副其实的“鸽王”

科普作家娜塔莉·沃尔奇佛写到詹姆斯·韦布空间望远镜的诞生记,称要想回望宇宙的诞生,看见第一群恒星的星光,必须先磨出一面和房屋一般大的镜子。但没有火箭能装下一面有房子那么大的镜子。于是,镜子必须被折叠起来。

折叠镜子:为了被折叠,镜子首先必须被分割成由多个镜片组成的蜂窝阵列。为了共同聚焦产生清晰的图像,镜片们在太空中展开后,必须排列到近乎完美的地步,这就需要精度极高的电机。这些电机能轻轻推动镜片,移动的距离可以精确到仅仅是病毒宽度的一半,以保证所有镜片安装到位。

绝对小巧:“韦神”的制动器能以10纳米的精度推动镜面,这个宽度仅为头发的万分之一。

不仅要精巧,而且要绝对意义上的轻巧,于是整个韦布望远镜的重量,只有一个大型地面望远镜重量的2%左右。

定点投送:这样依然还不够。还要把望远镜送去到一个特定的点——第二拉格朗日点。在那个点,月球、地球和太阳都位于同一个方向,架设起一个网球场大小的巨幅遮阳罩,望远镜就可以同时挡住这三个天体。
通过这样的方式,望远镜终于可以进入极度深寒的状态(-223℃),从而探测到宇宙黎明时的微弱热量。

遮阳罩难题:遮阳罩既是红外望远镜的唯一希望,也是它的致命弱点。它只能由薄织物组成。工程师们心知,薄织物是“不确定的”,它的运动不可能被完全控制或预测。如果遮阳罩在展开时被钩破,整个望远镜就会变成一坨太空垃圾。
选遮阳罩的材料,让科学家们犯了难。首席工程师迈克尔•门泽尔形容这件事有多难: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。
……
一个又一个小难题,不断出现。结果是,韦布望远镜比原计划迟了14年,预算超了20倍
在发射之前,所有参与这项工作的人依然提心吊胆。因为韦布望远镜是一锤子买卖。
当年哈勃望远镜在低地球轨道上,离我们也就559千米,望远镜“近视”了,宇航员手里拿个扳手就飞上天去修了。但是韦布望远镜离我们150万千米,变轨失败或一颗微陨星撞击,出了任何问题,科学家和工程师们只能抱头痛哭,别无他法。
这个项目的首席科学家,诺奖得主、天体物理学家约翰·马瑟说,“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。”
从“鸽王”到“韦”神,用了足足26年,“韦神”望远镜终于可以进入极度深寒的状态(-223℃),从而探测到宇宙黎明时的微弱热量,这些凝结着人类智慧结晶的照片价值不菲、来之不易。
“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。”
关于宇宙前所未有的全新体验

古往今来,人类对宇宙的探索从未停止:从托勒密、哥白尼、伽利略到嫦娥探测器、祝融号火星车、天宫号空间站,从地球、月球、金星到太阳、火星、系外行星……在1608年望远镜被发明出来之前,所有的天文观测都通过肉眼进行。1608年,荷兰眼镜制造商汉斯·利伯希发明了望远镜,借助望远镜,伽利略·伽利莱等天文学家能够观测到行星的表面,并发现了它们的卫星。这之后,航天器和宇航员为了探索宇宙而进入太空,突破了地球的物理局限。

而这一次,是最为深刻,最为清晰,最为丰富的一次,发现了许多“史无前例”。

我们看到的是美图,而对天文学家来说,他们关注的是光谱。

北京时间7月12日22时30分,NASA接着召开韦布首批图像和光谱的发布会,首先展示了韦布观测系外行星光谱的能力。

通过韦布呈现的光谱数据,我们首次在这颗系外行星的大气层中发现了水,云以及雾霾存在的证据。而在观测船底座大星云时,“韦神”首次揭示了以前不可见的恒星诞生区。

总结一下,100亿美元拍出来的照片,真香!

哈勃望远镜自叹弗如

提及天文望远镜,著名的“哈勃望远镜”一般会率先出现在人们的脑海,然而随着天文观测技术的不断发展,更多更精细更先进的仪器设备也将登上舞台。那么与已经观测了宇宙三十余年,为人类拍摄到迄今最完整的宇宙图谱“哈勃遗产场”的哈勃望远镜相比,韦伯望远镜到底先进在哪里?

更快。从工作效率上,韦伯望远镜此次仅用12.5小时的曝光时间就完成拍摄的任务,对于哈勃望远镜来说需要数周。

更准。从灵敏度来看,韦伯望远镜几乎是哈勃望远镜的100多倍,这意味着在同等观测条件下,韦伯望远镜将有更加优秀的拍摄效果。

更深远。从深空观测来看,韦伯望远镜能够凭借哈勃望远镜较少使用的红外观测来探究更深更远的、更靠近红外的波段。

更清晰。为了更加直观感受这组图像清晰度的提升,可以参考下图。下图左半部分为韦伯望远镜图像发布前最清晰图像,右半部分则是韦伯望远镜拍摄的最新图像。

“韦神”或是人类解开宇宙终极秘密的眼睛

纵然不可能所有人都穿越星际,但这并不妨碍我们集体去仰望星空,“韦神”就是我们的眼睛。

为何此次图像的公布能够引起广泛关注?这几组图像到底有何重大的意义?

要知道宇宙诞生于138亿年前,如果能够得到越接近宇宙诞生之初的图像,人类就越有可能探索宇宙起源、太阳系甚至生命诞生的过程。

而此次“韦伯第一深场”图像所展现的光亮,实际上已经经历了漫长的131亿年左右才被韦伯望远镜拍摄到。随着韦伯望远镜工作的推进,未来的图像甚至可以追溯到大约135亿年前的早期宇宙。即宇宙诞生后3亿年内的样子,这对于人类来说是前所未有的图像,人类对于宇宙的认知也将一步步被打破重塑。

韦伯望远镜此次公布的图像具有跨时代的意义,意味着人类正向着宇宙更深处探索,意味着人类文明向星际文明的努力接近,这也将是人类天文史上举足轻重的一大步。

 
 
 
 
 
 
 

此刻,韦伯望远镜静静漂浮在伸手不见五指的太空中,它背后是太阳、月亮、和所有人类生活的暗淡蓝点。而它未来带回的信息,将推进甚至颠覆人类对宇宙的理解。

自身处于黑暗冰冷中的“韦神”,却为你捧来138亿年前诞生于宇宙早期的这束光亮——这100亿美元照片的浪漫,你还get不到吗?

潇湘晨报记者张岳 实习生陈晨昱