文|經(jīng)緯創(chuàng)投
昨天上午，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝到的第一張全彩色圖像被拜登提前劇透了。
這張圖像顯示的是SMACS 0723，展示了位于南天的飛魚座（Volans），是一個還未被廣泛研究的地帶。從照片上可以看到它周圍的眾多星系和很多弧線，這些弧線，被稱為“愛因斯坦環(huán)”，是極大質(zhì)量的前景星系團放大和扭曲了背后星體的光造成的。這張照片通過多種不同波長圖像的疊加，展示了130多億年前的宇宙景象。
NASA 局長 Bill Nelson 在白宮的最后一分鐘特別簡報會上對拜登形容說：“總統(tǒng)先生，如果您將指尖上的一粒沙子放在一臂遠的地方，那就是您所看到的宇宙的一部分。”
也就是說，照片實際覆蓋的區(qū)域，從地球上看，大約只是手指尖上的一粒沙這么大，卻包含了如此多的廣袤深邃的內(nèi)容。
韋伯的這張照片，是迄今為止人類看到的最遙遠、最清晰的宇宙圖像。其中一些星系發(fā)出的光行進了130億年，才達到望遠鏡的鏡面。要知道，宇宙大爆炸距今也才138億年左右。
韋伯的首秀，也成為了人類窺視宇宙大爆炸的開始。更廣袤深邃的宇宙圖景，正在人類面前緩緩展開。以下，Enjoy:
01 百億美金韋伯望遠鏡傳回的第一批明信片
上文提到的SMACS 0723這張照片如此之重要，以至于美國總統(tǒng)拜登和副總統(tǒng)哈里斯，硬是搶了 NASA 原定于美國時間周二的“頭條”，提前開了一個白宮直播發(fā)布會，單獨搶先發(fā)布……
直到昨天晚上，韋伯拍攝的第一批完整彩色照片，終于露出了廬山真面目。如此高清全彩的圖像，讓人直呼韋伯“一百億沒白花”。
WASP-96b：地外行星
NASA發(fā)布的第二張照片名叫“地外行星”。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
等等，行星在哪里？這組圖其實是由韋伯望遠鏡NIRISS探測到的透射譜組成的散點圖。雖然NASA沒有直接拍到這個地外行星的外觀，但是圖表中的數(shù)據(jù)足以證明這個地外行星的存在，以及在其大氣層內(nèi)有水形成的云霧。種種證據(jù)指向WASP-96 b，一個距離地球大約1150光年的氣態(tài)巨行星。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
目前來看，WASP-96 b 上有生命的機會應(yīng)該非常渺茫：它也圍繞著一枚和太陽接近的恒星公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期非常短，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地球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的發(fā)現(xiàn)，更別提韋伯望遠鏡到達預(yù)定位置開啟工作之后不久之后就做出了這一發(fā)現(xiàn)?！绊f伯望遠鏡技術(shù)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 說。
南環(huán)星云：向死而生
就像《天鵝湖》的悲劇版結(jié)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(huán)星云就是這樣一個凄美的例子。
這張照片也通過韋伯的NIRCam(左)和MIRI(右)捕捉，是位于2000光年外的南環(huán)星云及其中央的一對雙子星。圖上，這兩顆暗淡、垂死的恒星正在噴出氣體和塵埃。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
過去的觀測普遍認為，這個星云層疊式的氣體殼，應(yīng)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(zhì)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(jù)證明南環(huán)星云其實是一個雙星系統(tǒng)。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(fā)回的照片中（右圖的中紅外成像結(jié)果），NASA 也終于首次清楚地看到兩顆星相映成輝。
斯蒂芬五重奏：宇宙舞蹈
第四張照片，讓我們可以從一個極特別的視角上，近距離觀測最離奇和有趣的恒星誕生機制。
為什么說它極為特別？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。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。
這是由NIRCam和MIRI捕捉的照片，2.9億光年開外，五個星系相互圍繞著，其中四個在太空深淵中經(jīng)由引力拉扯和伸展，在宇宙深淵中跳著奇異的“舞蹈”。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
船底座星云：新生
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)：這片星空背景下“山脈”和“山谷”閃閃發(fā)光的美麗景觀，實際上是船底座星云中一個名為NGC 3324的恒星形成區(qū)域的邊緣圖像。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
事實上，嬰兒恒星的形成階段是很難被捕捉到的，因為該階段只持續(xù)5-10萬年，但是韋伯的NIRCam以其超高的分辨率和靈敏度，首次揭示了恒星誕生區(qū)域的樣貌。紫外線輻射和恒星風形成了巨大的塵埃和氣體墻。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(zhì)，瘋狂地“長大”，并且在過程中發(fā)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(chǎn)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(xiàn)的高溫物質(zhì)顆粒（如其它恒星衰老死亡之后的殘?。?。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(zhì)的“循環(huán)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(xiàn)出的盎然生機。
在這張照片里有很多 NASA 已經(jīng)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(fā)生什么？我們?nèi)匀徊恢?，這張照片的數(shù)據(jù)和信息真的是太豐富了?！?/p>
從恒星的創(chuàng)生到死亡，韋伯都給予了有史以來最高清最細節(jié)的記錄?？枴に_根說的一句話正在成為現(xiàn)實：“在某個地方，一些令人難以置信的事情正等待著人們知道?！保⊿omewhere, something incredible is waiting to be known.）
02 跨時代的“下一代太空望遠鏡”
去年12月25日，號稱“一代鴿王”的韋伯望遠鏡，歷時25年，耗資100億美元，在20國科學家的通力合作下，終于發(fā)射升空。
作為迄今為止規(guī)模最大、最復雜、最具挑戰(zhàn)性的太空望遠鏡，由于各種挫折和多次推遲，韋伯的發(fā)射也足夠吊人胃口，被天文迷們看作是來之不易的“圣誕禮物”。
燒錢確實有燒錢的道理，作為哈勃太空望遠鏡的“繼任者”，韋伯在尺寸和技術(shù)上都逾越了重重難關(guān)，成為人類歷史上看得最遠的望遠鏡。
圖源: NASA
首先，為了收集并且聚焦來自最遙遠星系的百億年前的微弱光線，主鏡必須足夠大、足夠光滑。
其次，百億年前的古老星光在穿越了不斷膨脹的宇宙空間之后，已經(jīng)被大大拉長了成為了紅外線——原子振動時發(fā)出的光，而人類身體、大氣以及地面都會輻射出同樣的紅外線。為了避免本地熱源的干擾，這面大鏡子必須非常冷，發(fā)射到寒冷的太空是唯一選擇。
但是，沒有火箭能裝下一面像房子那么大的鏡子，所以鏡子必須被折疊起來?？茖W家們把大鏡子分割成了18個六邊形組成的蜂窩陣列。其次，鏡子應(yīng)該足夠輕?？茖W家采用了鈹這種元素，比鋼強六倍，但只有鋁的三分之一密度，輕且堅硬，在低溫下也不會變形。鈹粉被壓成塊，然后被切割成形，最后鏡片上再覆一層黃金，這樣才能更好反射紅外線。最后制成的小六邊形鏡面，輕到用手就可以提起來。
但送上了太空還沒完，為了不同的鏡片產(chǎn)生的圖像可以匹配和重疊，鏡片在太空中展開后，需要排列到一個完美的地步。Ball航空航天公司提供的制動機能以10納米的精度推動鏡面，這個寬度僅為頭發(fā)的萬分之一。
另一個明星是遮陽罩。在它的反射下，當太陽光照過來時，只有極少數(shù)的熱量會滲透過來，保障望遠鏡能在持續(xù)低溫的穩(wěn)定狀態(tài)下工作。
它既是紅外望遠鏡的唯一希望，也是它的致命弱點。為了遮住屋子一樣大的主鏡，遮陽罩展開得有一個網(wǎng)球場那么大。要在火箭的承重范圍內(nèi)，遮陽罩只能由薄織物組成。
圖源/NASA
然而薄織物是不確定的，它的運動不可能被完全控制，如果遮陽罩在展開時被鉤破，整個望遠鏡都會變成一坨太空垃圾。
材料，研究小組選了Kapton，一種光滑的銀色塑料，看起來很像薯片袋的內(nèi)層，厚度只有人類頭發(fā)的直徑。Kapton的撕裂風險不低，因此需要很多層作為冗余ーー研究小組決定安裝五層。一個由吊臂、電纜和細繩所組成的系統(tǒng)，將把這五層遮陽罩都充分展開，分離并系緊。
首席工程師邁克爾 門澤爾(Michael Menzel)形容這件事有多難：“如果是剛性的東西，比如一扇門，你安上一條鉸鏈，就可以預(yù)測它的運動方式。小菜一碟。但現(xiàn)在給你的是一條軟的毯子。在床上推一條毯子，然后試著預(yù)測它會變成什么形狀？太可怕了。同樣的事情也發(fā)生在繩子上——每一根拉緊遮陽罩的繩子，可以有一百萬種不同的運動方式。更糟的是，在零重力狀態(tài)下，這些東西可以跑到你不希望它去的地方?！?/p>
大約在2004年，2位NASA工程師來到門澤爾的辦公室，說他們有辦法。其中一人拿起門澤爾桌上的一張紙，把它折成Z字形。遮陽罩可以折疊成許多這樣的Z字形，也就是“手風琴式折疊”。門澤爾覺得這個辦法行得通。
下一個問題是，如何保持遮陽罩處于手風琴折疊狀態(tài)，直到做好準備時再展開。另一位工程師安迪找到了解決辦法：107根固定針，可以像貓的爪子一樣縮回。
固定針又帶來了另一個棘手的問題：針會造成針孔。如果在展開后，所有五層Kapton上的針孔恰好排成一條直線，就會讓陽光通過，加熱望遠鏡的光學器件。
門澤爾說：“這是個之前根本想不到的小細節(jié)，直到你開始做了才發(fā)現(xiàn)，天啊，五個針孔有可能排成一列，這事聽起來不大，但把安迪搞到借酒澆愁。謝天謝地，他后來想通了?！卑驳锨谇趹y試了許久，終于找出了一種方案，使得五層大小各異的Kapton遮陽罩不論怎么展開，上面的針孔都不會排成直線。
圖源/NASA
在將無數(shù)個看似不可能的任務(wù)變成可能之后，在阿麗亞娜火箭的搭載下，韋伯去往了黑暗寒冷的遙遠太空。行程耗時整整30天，只為了到達日地第二拉格朗日點L2。這個點距離地球足足150萬公里。
好處是，受到的地球和太陽引力之和剛剛好，能讓韋伯和地球同步繞太陽公轉(zhuǎn)；同時，月球、地球和太陽都位于同方向，便于韋伯架設(shè)起巨幅遮陽罩，屏蔽這些熱源的干擾，在零下223攝氏度的深寒狀態(tài)中，更好探測宇宙黎明時的微弱熱量。
壞處是，韋伯望遠鏡成了“一錘子買賣”。哈勃望遠鏡出了問題，宇航員還能去距離僅559公里的低地球軌道維修，但是韋伯出了任何問題，科學家和工程師們只能抱頭痛哭。
這個項目的首席科學家，諾獎得主、天體物理學家約翰·馬瑟（John Mather）說：“我們已經(jīng)盡力去發(fā)現(xiàn)所有的錯誤，進行測試和演習，此刻，我們將把價值數(shù)十億美元的望遠鏡放在一堆爆炸物上?！?/p>
03 韋伯是怎么拍攝宇宙圖像的？
經(jīng)過數(shù)月的對齊、校準和設(shè)備調(diào)試，韋伯終于在這個夏天傳回了它的首秀照片。
SMACS 0723這張照片由韋伯望遠鏡的近紅外相機（NIRCam）拍攝，再用不同波長的照片合成，耗時12.5小時。要是用哈勃太空望遠鏡來拍攝，則可能需要數(shù)周的時間，而且在細節(jié)方面欠缺不少。
有好事的網(wǎng)友“隨手”截了幾處圖像（左排），跟哈勃望遠鏡拍攝的同一天區(qū)（右排）作了個對比。在圖像的清晰度方面，韋伯明顯已經(jīng)妥妥“秒殺”哈勃。
圖源：c_victor_astro
韋伯的原理與哈勃等望遠鏡不同，它基于紅外成像，觀測人眼不可見的電磁光譜區(qū)域（紅外區(qū)域）發(fā)出的光。
它總共搭載了四種科學儀器：紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機（NIRCam）、近紅外成像儀和無縫攝譜儀（NIRISS ）。
它不僅可以聚焦遙遠的星云、星系團甚至系外行星，看清以前從未見過的微小結(jié)構(gòu)，也可以幫助分析星系的質(zhì)量、年齡、歷史和成分。
由于宇宙在不斷膨脹，最古老的恒星以及被它們照亮的事物，只會以紅外光的形式出現(xiàn)。韋伯有望觀測到大爆炸后僅幾億年形成的首批星系，觀測宇宙的初期狀態(tài)。
可以說，在韋伯之前，人類從未如此靠近了解宇宙的時間線。
04 韋伯如何解決大量太空數(shù)據(jù)的存儲和傳輸？
韋伯的科學儀器收集到的信息，每天可以產(chǎn)生高達 57 GB 的數(shù)據(jù)（實際數(shù)量取決于計劃的觀測內(nèi)容）。
在其生命周期內(nèi)收集的任何科學數(shù)據(jù)，都需要存儲在飛船上，因為航天器不會與地球保持全天候的聯(lián)系。從其科學儀器收集的數(shù)據(jù)一旦收集，就會存儲在航天器的 68 GB 固態(tài)驅(qū)動器中（3% 用于工程和遙測數(shù)據(jù)）。
板載存儲足以在空間用完之前收集大約 24 小時的數(shù)據(jù)。因此，在這之前，韋伯將安排機會將這些寶貴的數(shù)據(jù)發(fā)送到地球。
在150萬公里外，韋伯要完成日均57GB的數(shù)據(jù)儲存和回傳。
為了準確可靠的傳輸，科學家采用K a波段頻率來傳輸數(shù)據(jù)，這也是第一個使用K a波段頻率來實現(xiàn)距離地球如此之高的數(shù)據(jù)速率的任務(wù)。
韋伯通過深空網(wǎng)絡(luò)(DSN)與地球保持聯(lián)系——這是它與帕克太陽探測器、凌日系外行星測量衛(wèi)星、航海者探測器以及整個火星探測器和軌道飛行器共享的資源。
韋伯與地球的通信包含一個確認協(xié)議——只有在韋伯確認文件已成功接收后，它才會刪除其數(shù)據(jù)副本以清理空間。
05 韋伯的圖像，嶄新天文學時代的象征
“今天代表著探索我們宇宙的一個激動人心的新篇章，”美國副總統(tǒng)卡瑪拉·哈里斯說?！皬挠惺芬詠?，人類就帶著奇跡仰望夜空，多虧了幾十年來一直致力于工程和科學奇跡的人們，我們才能以新的理解仰望天空。”
按照計劃，韋伯將至少服役10年。
韋伯的使命，是幫助人類繪制宇宙的時間線。宇宙第一顆恒星什么時候、在哪形成？系外行星有生命存在嗎？.......這些人們對宇宙的最根本的疑問，極有可能在韋伯那里得到答案。
這個人類史上最強太空望遠鏡，足以引領(lǐng)人類走進全新的天文學時代。華盛頓 NASA 總部韋伯項目科學家 Eric Smith 說：“這些圖像將是數(shù)十年奉獻、才華和夢想的結(jié)晶——但它們也只是一個開始?！?/p>
參考資料
1）Natalie Wolchover, The Webb Space Telescope Will Rewrite Cosmic History. If It Works, www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203, 翻譯/游識猷的微博
2）《人類史上首次發(fā)布深空宇宙高清圖像！來自造價 100 億美元的最貴「相機」》作者/ 張成晨，愛范兒（ID：QbitAI）
3）《NASA發(fā)布史上最深的宇宙全彩照！韋伯如何回傳150萬公里外的太空數(shù)據(jù)？》 作者/Mickey，大數(shù)據(jù)文摘（ID：BigDataDigest）
4）《宇宙大爆炸后一瞬首次清晰拍到！造價百億美元的韋布望遠鏡，發(fā)布130億年前的太空圖景》 作者/楊凈、豐色，量子位（ID：QbitAI）
5）《NASA花了百億美元，只為遙望這138億年前的“未來”》作者/光譜杜晨，硅星人（ID：guixingren123）
6）Webb's First Images Gallery, Space Telescope Science Institute. https://webbtelescope.org/news/first-images/gallery