1000個古老星系!韋伯望遠鏡的「第一張」照片:到底拍到了什麼?

耶誕節從圭亞那航太中心發射升空的詹姆斯·韋伯望遠鏡已經「正式發佈」了「第一張照片」,目標是銀河系中的恒星2MASS J17554042+6551277,而背景星系則是上千個宇宙深處的遙遠星系!

詹姆斯·韋伯的「第一張照片」為何要以一顆恒星為目標?究竟有何特殊之處,背景星系高達上千個又是什麼情況,銀河系不是只有一個麼?

這顆恒星究竟有什麼特殊之處?

2MASS J17554042+6551277究竟是何方神聖?筆者查了下了,原來是北天區天龍座天區一顆非常普通的恒星,又名為TYC 4212-1079-1,如下圖:

這顆恒星距離地球約2000光年,亮度約為太陽的16倍,但這在星圖上什麼都看不到,因為距離實在是太遙遠了,但這顆恒星依然在銀河系內,韋伯望遠鏡為何要選擇這顆恒星作為「首選目標」呢?

原因很簡單:對焦!

望遠鏡的對焦大家都很清楚,就是調節焦距遠近以達到圖像最清晰,但這工程意義上的對焦就不一樣了,因為還有對光路,這個可是一個三維空間中的問題,不像調焦只有距離遠近,而詹姆斯韋伯望遠鏡的對焦一定能讓你瘋掉,因為這台望遠鏡的光學結構之復雜令人咋舌。

首先是一個「拼接」版的主鏡,採用這種結構原因有兩個,一是用小主鏡拼接一個超大口徑的主鏡,另一個則是輕量化。

6.5米口徑的輕量化主鏡是用鈹金屬製造的,並且在表面鍍上了一層黃金,18面主鏡的鍍金足足消耗了48.25克黃金,估計各位都能根據這個重量計算出鍍層厚度了,為什麼要用黃金?下文會繼續介紹,絕不是為了土豪金亮瞎外星人。

另一個則是其光路,超大口徑完成超長焦距,並在光路中加入修正鏡調整圖像的畸變,這種光路被稱為Three-mirror anastigmat」(三鏡象散鏡),這是是一種由三個曲面鏡構成的象散鏡望遠鏡,其特點是能最大限度地減少所有三種主要光學像差—球面像差、彗差和像散。

球差:球面像差是發生在經過透鏡折射或面鏡反射的光線,接近中心與靠近邊緣的光線不能將影像聚集在一個點上的現象; 彗差:類似彗星形狀的變形,為光學系統中的一種像差,這是一些透鏡固有的或是光學設計造成的缺點,導致離開光軸的點光源,例如恒星,產生變形; 像散:一種因為大傾角的窄光束所帶來的的單色像差,兩個相互垂直的平面中傳播的光線聚焦在不同的焦點,會觀察到兩個焦點之間所產生的影像會變得模糊;

因此在調整光路時不僅要將18面主鏡完美的調整到一個雙曲面行,還有將其光線精准的彙聚到第一副鏡,然再將光線反射至下面反射鏡,再經過數次反射最終彙聚至CCD。

2022年2月2日,詹姆斯韋伯望遠鏡對準了大熊座恒星HD 84406以及周圍156個不同位置,使用NIRCam的10個探測器生成了1,560張圖像,總計54GB的資料,整個過程持續25小時,用于調整主鏡是否處在同一個雙曲面上。

各個反射鏡對應的恒星,這表示鏡面精度初步調整成功,接下來就是更進一步的調整,而在3月16日NASA發佈的這顆2MASS J17554042+6551277的照片後宣佈,詹姆斯韋伯太空望遠鏡的主鏡完全對齊,性能甚至比設計的還要好。

美國宇航局戈達德太空飛行中心的韋伯運營專案科學家簡·裡格比在新聞發佈會上說:

「我們今天看到的工程圖像與哈勃 太空望遠鏡拍攝的圖像一樣清晰銳利,但處于哈勃完全不可見的波長范圍,所以這使得不可見的宇宙迅速進入我們的視線」

非常期待詹姆斯·韋伯望遠鏡接下來的出的真正深空照!

背景星系到底是怎麼回事?

相信各位應該是看到了那個六道星芒恒星的背景上有著大量密密麻麻的星系,據科學家稱這裡有高達上千個星系,首先我們要確認一個問題,這是在銀河系,怎麼會有其他星系?

要回答這個問題很簡單,因為詹姆斯·韋伯望遠鏡對準的是北天區天龍座天區的一顆恒星,地球的北天極指向是遠離銀河系的週邊,這裡恒星稀少,因此背景出現遙遠宇宙的星系並非不可能。

另一個問題是,這些星系可能此前在哈勃望遠鏡是根本看不到的,因為詹姆斯·韋伯望遠鏡不是哈勃的接班人,而是要比它看得更早,看得更遠!

更早更遠:究竟用什麼方法來實現?

人類感知宇宙的途徑,最早期就是肉眼,看到的就是滿天繁星!後來發明了望遠鏡後居然還發現這些星星背後有著各種各樣的故事。

再後來科學家發現了紅外與紫外光,還有X射線與伽馬射線以及中微子,而愛因斯坦則從從他的廣義相對論中預言了引力波的存在。

望遠鏡也從光學發展到了射電望遠鏡,從上世紀六十年代開始則開始使用X射線,再到後來用紅外和紫外波段觀測,發現了一個完全不一樣的世界。

再到後來又出現了中微子觀測和引力波觀測,相信大家都了解得非常透徹了,但問題是這些望遠鏡與觀測工具之間到底是怎麼樣建立起聯繫的,是互補還是競爭?

宇宙大爆炸與觀測手段

現代理論認為,宇宙誕生于138.2億年前的一次大爆,在極端緻密的空間中宇宙突然發生了膨脹,最早誕生的是引力,之後則是弱力和強力,最後誕生的是電磁力,這些過程在不到一秒的時間內就發生了。

之後則開始了膨脹,一直到38萬年後宇宙才膨脹到清朗時代,光子得以從熾熱的物質中掙脫束縛,開始在宇宙中橫衝直撞。

因此我們現代使用的可見光、X光、紅外光與紫外以及電磁波觀測(射電望遠鏡),最多只能到宇宙誕生的38萬年時,因為在這之前,光子都還沒有出來。

再早一點,需要用中微子觀測,因為中微子在宇宙誕生1秒時脫耦,而更早則需要引力波觀測,它可以直達宇宙大爆炸後的一刹那,當然這些手段都在建設,比如南極的冰立方和太空中的天琴引力波觀測望遠鏡,而現在正在逼近的正是電磁波觀測的極限。

科學家們想看什麼?

射電望遠鏡可以看到宇宙誕生38萬年時的微波背景輻射,因為宇宙膨脹把這些原本在可見光波段直接拉伸到了電磁波,所以科學家們繪製了宇宙微波背景輻射分佈圖,證明了宇宙是各向同性的,僅僅只有極其微小的差別。

而現代最頂尖的哈勃望遠鏡以及地面超大口徑光學望遠鏡能看到的則是可見光的極限,科學家需要一種能在電磁波和可見光之間銜接的望遠鏡,來觀測宇宙大爆炸後,到星系誕生前第一顆恒星的光,由于宇宙快速膨脹,這種恒星的光已經進入紅光波段和紅外波段。

而詹姆斯韋伯觀測的正是中紅外波段,口徑6.5米是哈勃2.4米的2倍以上,並且詹姆斯韋伯望遠鏡在拉格朗日L2點,遠離地球輻射的影響,另外還對CCD製冷,與絕對零度一步之遙,要的就是吸收從遙遠宇宙到達望遠鏡CCD每一顆微弱的中紅外波段光子,它的靈敏度據說是哈勃的1000倍以上。

當然在發佈畫面中的這副照片並非是「冷凍CCD」拍攝,而是在第一焦平面的CCD攝像機,這台攝像機未來不會使用,僅僅作為調試,即使如此詹姆斯韋伯望遠鏡已經開始展現它強大的觀測能力,十分期待它的第一張照片。

地面天文望遠鏡、哈勃超深空與韋伯空間望遠鏡成像距離對比(紅字:紅移值,白字:光與宇宙大爆炸的時間差)

第一張照片的時間預計會在5月底產生!宇宙中的第一顆恒星,也許很近,但它真的很遠!(完)


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