James Webb太空望遠鏡要看135億年前的宇宙「開天闢地」

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2021-11-27 BBC

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡運行示意圖

萬眾期待的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(The James Webb Space Telescope ,JWST)將在12月18日發射升空,科學界對它可能發現的宇宙奧秘興奮不已。

這一超級太空天文望遠鏡是設計用來更深入探索宇宙,將能大大提高人類對大爆炸後宇宙形成最早星系的了解和認知。

最樂觀的期待是,韋伯太空望遠鏡將能探測到135億年前宇宙最早形成時第一批星系發出的光亮。

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美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心(Nasa’s Goddard Space Flight Center)的天體物理學家安珀·尼科爾·斯特勞恩博士(Dr Amber Nicole Straughn)是本次韋伯望遠鏡工程的副總科學家。她說:「這樣一個大規模、異想天開又雄心勃勃的望遠鏡最令人激動的前景正是這樣一種理念:會出現一些我們都從沒想過要問的問題。」

「對我來說,這個望遠鏡最令人興奮期待的前景,就是人類將了解到的宇宙知識會完全出乎我們的意料。」

那麼,韋伯望遠鏡究竟如何探索太空?我們什麼時候能夠通過這個超級望遠鏡看到宇宙之初的最早星系?

像打開折紙

韋伯望遠鏡將使用的望遠鏡直徑為6.5米,將是有史以來送入太空最大的。事實上,正因為它直徑很大,所以在太空中打開需要兩周時間,就像把做好的折紙一步步還原。

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韋伯太空望遠鏡是美國、歐洲和加拿大航天部門的合資項目,總耗資100億美元。 將由歐洲亞利安5號火箭從法屬圭亞那發射進入太空。

火箭升空約30分鐘後,韋伯太空望遠鏡將與火箭脫離。它要順利按照原定計劃運行,必須在至少344個關鍵時刻完成預先設定的動作。

韋伯望遠鏡要抵達距離地球150萬公里的預設觀測點,還需在太空中行駛30天。

什麼時候投入使用?

據斯特勞恩博士介紹,韋伯望遠鏡完全投入使用讓我們看到它拍攝的第一批圖象,將需要六個月的時間。

「我們把望遠鏡送到太空後,它必須完成複雜的伸展打開程序。然後還需要幾個月的時間讓望遠鏡變冷,把鏡子調好,然後才能把儀器逐個打開。」

「所以,我們要等到北半球的2022年夏天才能收到第一批圖象。」

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追隨哈勃的腳步

哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)於1990年4月發射,是一代有開創性的太空望遠鏡。

過去30年中, 哈勃太空望遠鏡為我們提供了最重要的宇宙圖像,如著名的創生之柱(Pillar of Creations)和被稱為哈勃超深空(Hubble Ultra Deep Field)的近萬個星系的圖像。

這些圖像都加深了我們對大爆炸(Big Bang)以來宇宙變化的認識,甚至改變了我們對宇宙的思考方式。

創世之柱在可見光和近紅外光中的不同。
美國國家航空航天局的哈勃太空望遠鏡顯示出創世之柱在可見光和近紅外光中顯得多麼不同。

韋伯望遠鏡的設計是為了超越哈勃看到宇宙的更深處。

儘管哈勃預計還將繼續工作十年或二十年,但裝備和設計更加精密先進的韋伯被認為是未來擔當探索太空重任的繼任者。

哈勃與韋伯的主要不同:

  • 哈勃設計目的是收集可見光和紫外光,只有有限的紅外光能力。韋伯望遠鏡收集紅外光(IR);
  • 哈勃望遠鏡直徑 2.4 米,韋伯望遠鏡直徑 6.5 米,有更大的集光區,也就意謂著韋伯可以比哈勃看得更深更遠更早;
  • 哈勃在非常接近地球的軌道上運行,而韋伯將在150萬公里之外。這是地球離月球距離的四倍。

歐洲航天局的安東內拉·諾塔博士(Dr. Antonella Nota) 說:「韋伯的能力是建立在哈勃31年輝煌歷史基礎之上。」

韋伯太空望遠鏡從發射到運行的14天圖解

「哈勃雖然只是一個主鏡直徑2.4米的相對較小的望遠鏡,但它已經將可觀測宇宙的視點一直縱深到距大爆炸幾億年前。」

「韋伯的敏感度增加了100倍,它的視點縱深度將進一步向前,將能夠看到大爆炸後第一批星系的樣子。」

韋伯望遠鏡將看到什麼?

根據美國國家航空航天局(NASA)的說法,韋伯更長的波長將能夠更接近時間的起點,並尋找未被人類觀察到的第一批星系的樣子。

韋伯望遠鏡還將能夠觀察目前正在形成恆星和行星系統的塵埃雲內部。

斯特勞恩博士說,科學家們已經制定了韋伯望遠鏡第一年的觀測計劃,「並不局限在天體物理學的範圍」。

她說:「觀測計劃包括我們太陽系中的行星,也包括尋找135億年前誕生的第一批星系, 就是從起點到現在時間和空間內的所有一切。」

尋找生命

哈伯超深空(the Hubble Ultra Deep Field)
這個由近萬個星系構成的圖像被稱為哈勃超深空(the Hubble Ultra Deep Field),由哈勃太空望遠鏡在環繞地球400圈後積累影像數據而成。

因為韋伯能夠穿透並看到行星大氣中的分子,還可以幫助我們搜索其他行星上的生命跡象。

斯特勞恩博士說:「當然我們不能保證會找到生命的跡象。但我們可以毫不誇張地說,韋伯望遠鏡絶對是我們在銀河系尋找宜居行星邁出的巨大一步。」

她說:「這台望遠鏡的意義非常大,尤其是擴大了我們對宇宙的認識,加強了我們與周圍其他事物的聯繫。」

「當我們抬頭看星星時,當我們仰望夜空時,能感受到這種彼此聯繫。我們不是一個微不足道,獨自存在的小生命。」

「實際上,我們人類是從數十億年前一顆星球爆炸剩餘的殘存物中誕生的。」

「我們與宇宙有千絲萬縷的聯繫。我認為退後一步從更大的角度來看待生命,無論何時何地這都極為重要。」

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