英媒:新型太空望遠鏡將改寫宇宙故事

2021-12-18 15:32
參考消息網
關鍵詞:外行星韋伯恒星

參考消息網12月18日報道 英國《新科學家》周刊12月11日發表題為《詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將如何改寫宇宙故事》的文章,作者科林·斯圖爾特。全文摘編如下:

10月初,一艘貨輪向右轉航,離開南美洲東海岸的大西洋水域,進入渾濁的庫魯河。這是此次航行的最后一程,之前為保護船上的珍貴物品一直不遺余力。物品置于特別設計的箱子內,可以在波浪的顛簸翻滾中安然無恙。庫魯河經過疏浚,確保船只不會陷入淺灘。甚至連航程的具體日期都是保密的,以免引來海盜注意。

這批珍貴的貨物就是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,或許是有史以來最受熱盼的科學儀器。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡制作時間超過25年,發射也經過無數次推遲?,F在它終于完成上述行程,抵達法屬圭亞那的發射點。如果一切順利,最終將于12月末離開地球?!拔疫€有些懵,”歐洲航天局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目科學家托爾斯滕·伯克爾說,“看起來有點不真實?!?/p>

制造時光機器

不真實不僅是因為這部望遠鏡看似永遠無法升空,而且因為它被設計為一臺時光機,能幫助我們回望宇宙第一批恒星出現的謎之時代,而我們對這批恒星知之甚少。不真實的原因還有,這部望遠鏡能以前所未見的清晰度揭示環繞其他恒星運行、可能適宜居住的行星的大氣成分。不夸張地說,這部裝有巨型金箔鏡面的望遠鏡會改變我們對宇宙,以及對我們在宇宙中位置的看法。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的故事始于1995年圣誕節前后。在當年12月的10天中,哈勃太空望遠鏡凝視著一小塊平平無奇的天空。地面望遠鏡觀測顯示,天空中的這片區域空無一物。但部分天文學者猜測,有必要更仔細地觀察。

這次觀察生成了現在所說的哈勃深空場圖像,結果顯示這片太空擠滿了3000個星系,其中包含當時目睹過的最古老星系。而每個星系的能見度都只有人類肉眼的40億分之一。天文學者沒有預料到能探測到這么古老的星系,更沒有料到會有那么多。他們的胃口被調動起來,進而制訂了一個計劃:要更清楚地審視宇宙的青年時期。

1996年初,一群觀星者匯聚一堂,著手開發當時所說的“下一代太空望遠鏡”。這就是后來的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。而直到現在這部望遠鏡才有機會送上發射臺,項目科學家都長出了皺紋和白發,他們事業的大多數時間都投入了這一個望遠鏡項目。

就在科學家等待的同時,觀察宇宙第一批恒星的渴求也日漸濃厚。恒星在燃燒時內部產生化學元素,恒星寂滅時將這些化學元素噴射入太空,通常是以超新星爆炸的形式。余燼中有些縮合成新一代恒星,周而復始。在所謂的宇宙黎明時刻,第一批恒星是由氫和氦,也就是最簡單的元素云形成的。這些恒星逐漸形成較重元素,但速度很慢。問題是,我們對宇宙重元素來自何方的解釋不能自圓其說。一種觀點是,神秘的第一批恒星在塑造重元素方面的作用比我們想象中更重要。

迄今為止,我們還無法以適當方式觀察大爆炸后最初幾億年內出現的恒星,我們所能做的只有間接一瞥。而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡應該能掃除這一切問題,給我們更清晰的視野。哈勃太空望遠鏡以生成難以置信的視覺材料著稱,而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的首要設計目標是觀察最早恒星發射的紅外光。我們已經在太空中部署了紅外光望遠鏡,但這次是在大幅升級。英國劍橋大學的羅伯托·馬約利諾說:“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的敏感度比現有或之前的紅外光望遠鏡高出100到1000倍?!彼麑⑵浔茸鲝馁だ酝h鏡躍升至現代山巔天文臺。他說:“我們將用10年得到現在需要耗時400年的發現?!?/p>

放置天空之眼

然而,說到觀測紅外光有個重大問題。紅外光不僅由古老的恒星和星系發出,所有溫暖物體,包括太陽和地球,都會發出。這意味著太空望遠鏡不能放置在常規地球軌道中,否則地球的熱量會掩蓋來自古老恒星的微弱光芒。如果那樣,就像是在宇宙最喧鬧的搖滾音樂會中試圖聽清一句耳語。這就是為什么詹姆斯·韋伯太空望遠鏡配備了巨型遮陽裝置,也是為什么要將其送入太空中的特殊地點,與地球的距離是地月距離的四倍。如果說詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的海上航程險象環生,那它150萬公里的太空之旅才是真正的艱苦卓絕。

這只新的天空之眼也是有史以來最大的太空望遠鏡。其口徑6.5米的主鏡比四層樓還高,安裝完成后火箭無法容納。因此主鏡由18塊六角形鏡片組合而成,發射時折疊起來,等到望遠鏡抵達太空后再展開。美國國家航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目科學家尼科爾·科隆說:“就像是送上太空的一個巨大的變形金剛?!泵繅K鏡片都覆上極薄一層黃金,從而明顯提升鏡面反射以及聚焦紅外光的能力。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡一直是挫折和爭議不斷。根據最初估算其耗資為5億美元,但現在已經飆升至97億美元。原定于2018年的發射日期也因為遮陽裝置和推進器的技術問題而延誤,新冠疫情又導致發射日期再三推遲。

總體上講,發射一而再再而三地推遲讓人感到挫敗。但也有好的一面:這意味著我們將能以更激動人心的方式使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。

探索地外行星

1995年我們還幾乎不知道太陽系外存在行星。僅僅在獲取哈勃深空場圖像的兩個月前,才首次發現環繞類似太陽的恒星運轉的地外行星。但在此后的25年內,我們已經追蹤到超過4000個這樣的地外世界,并開始探索它們的樣貌。

地外行星過于暗淡和遙遠,無法用現有望遠鏡直接觀察。我們往往會觀察同樣遙遠的恒星,每當恒星光線略微暗淡,就將其視為被行星遮擋。恒星的部分光線會穿越行星大氣層,特定光頻會被大氣層中的化學物質吸收。通過觀測恒星光線,我們能了解地外行星是什么樣子,分析行星大氣的構成,甚至感知行星上的天氣。這種觀測令人向往,因為能告訴我們其他行星是否具備支持生命的適當條件。

迄今為止,我們對地外行星的所有觀察幾乎都通過可見光。但在紅外光中行星大氣的化學成分會顯示得更清晰,而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正是探測紅外光的最優選項。發射推遲能讓設計做出微調,從而更有效地觀察外星世界??坡≌f:“之前幾乎從來沒有用這些波長研究過地外行星?!币粋€尤為激動人心的可能是,在紅外光中會清晰顯示碳鍵,碳鍵是有機化學的明顯標志,也是地球生命的“腳手架”。

目前在建的很多其他望遠鏡也將和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡互為補充。即便如此,有人將詹姆斯·韋伯太空望遠鏡視為把太多雞蛋放入一個籃子的冒險之舉。為了一部望遠鏡已經投入海量資金和25年的工夫,現在這部望遠鏡前往目的地的旅程還風險重重。假如這個項目失敗了,看起來還是將這些投入分散到其他項目更為明智。但大體上講,天文學者還是深感振奮??坡≌f:“它會是革命性的,是完全值得的?!?/p>

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡定于2022年中期完成啟動程序,然后開始回望過去,注視最早恒星、以及環繞其他恒星的類地行星上的神秘生命。伯克爾說:“我們期待著大吃一驚。我們會看到連做夢都想象不到的東西,這些不能用價錢衡量?!?/p>

當地時間2020年3月27日,美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。(圖片來源:視覺中國)

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