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NASA花了百億美元遙望138億年前 拜登都跑來(lái)?yè)尅邦^條”

硅星人
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2022-07-13 15:44
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NASA花了百億美元遙望138億年前 拜登都跑來(lái)?yè)尅邦^條”

這是人類首次更加清晰地觀測(cè)到宇宙大爆炸之后的景象。
——
文｜杜晨  編輯｜VickyXiao    題圖來(lái)源 | NASA
原標(biāo)題《NASA花了百億美元，只為遙望這138億年前的“未來(lái)”》
誰(shuí)能想到，這兩天在互聯(lián)網(wǎng)上流傳最廣的圖片，
既不是哪位知名明星爆出的私照，
也不是“圖圈”當(dāng)下最火的 NFT 小照片。
而是下面這張：
NASA花了百億美元遙望138億年前 拜登都跑來(lái)?yè)尅邦^條”
圖片來(lái)源：NASA
它就是美國(guó)宇航局 NASA 的“百億美元相機(jī)”——詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)回的首批照片之一。
這張照片包括了整個(gè) SMACS J0723.3-7327（簡(jiǎn)稱0723）星系團(tuán)當(dāng)中的數(shù)千個(gè)星系，它是人類太空觀測(cè)歷史上最深，也最清晰的一張照片——你看到的每一個(gè)橢圓形的光斑，都是一個(gè)和銀河系相當(dāng)甚至更巨大的星系。
“然而這張照片所包含的只是宇宙非常小的一個(gè)部分，”NASA 局長(zhǎng) Bill Nelson 表示，“如果你捏著一粒沙子，伸直手臂，然后透過(guò)雙眼看過(guò)去手指之間的縫隙，這張照片所對(duì)應(yīng)的，其實(shí)也就是這么小角度里的一小片宇宙。”
更有趣的是，在照片中你可以觀察到某種“光圈畸變”——那其實(shí)正是愛(ài)因斯坦等人所提出的“引力透鏡效應(yīng)”的真實(shí)體現(xiàn)，也即光經(jīng)過(guò)引力場(chǎng)時(shí)發(fā)生類似于透鏡式的彎曲（就像在著名科幻電影《星際穿越》里肉眼看到黑洞“Gargantua”那樣）:
NASA 今天公布的這張照片所包含的，可能是人類迄今為止觀測(cè)到的最大尺度的引力透鏡效應(yīng)。
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圖片來(lái)源：NASA
在天文和天體物理學(xué)家的認(rèn)知中，巨大的引力透鏡效應(yīng)預(yù)示著在這個(gè)角度極小，廣度極大的宇宙一隅之中，有著比其它地方更密集的引力場(chǎng)天體存在，包括星系團(tuán)和黑洞。
不僅如此，如果你放大這張照片，仔細(xì)查看下圖中暗紅色的天體：科學(xué)的紅外觀測(cè)結(jié)果認(rèn)為，這個(gè)天體所產(chǎn)生的光，經(jīng)過(guò)了大約131億年左右才被韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝到，形成這樣一個(gè)暗紅色的光斑。
 
而已知的宇宙年齡，才138億年左右。換句話說(shuō)，這個(gè)暗紅色的天體，在宇宙誕生之后不久就已經(jīng)存在了。
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圖片來(lái)源：NASA
包括密集的引力透鏡效應(yīng)，以及暗紅色的天體在內(nèi)——照片所展現(xiàn)出的種種現(xiàn)象，似乎都在告訴科學(xué)家們：
 
這張照片所拍攝的方向，就是宇宙開(kāi)始的地方。
這張照片如此之重要，以至于美國(guó)總統(tǒng)拜登和副總統(tǒng)哈里斯，硬是搶了 NASA 原定于美國(guó)時(shí)間周二的“頭條”，在周一下午開(kāi)了一個(gè)白宮直播發(fā)布會(huì)，單獨(dú)搶先發(fā)布了 SMACS 0723 這張照片……
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圖片來(lái)源：NASA
不過(guò)，這次白宮“搶頭條”的做法，也確實(shí)讓人們都加深意識(shí)到，韋伯望遠(yuǎn)鏡以及整個(gè)深空觀測(cè)的事業(yè)對(duì)于科學(xué)和整個(gè)人類的重要意義。
“在99年我們發(fā)射了哈勃望遠(yuǎn)鏡，讓深空觀測(cè)首次擺脫了大氣層的限制，”美國(guó)副總統(tǒng)卡馬拉·哈里斯表示，“而在今天我們終于進(jìn)入科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新階段。韋伯望遠(yuǎn)鏡將讓我們能夠看到太空中更深遠(yuǎn)的地方，加強(qiáng)我們對(duì)于生命、星系，乃至于整個(gè)宇宙起源的了解。”
當(dāng)被問(wèn)到對(duì)于太空探索最感興趣的問(wèn)題是什么，相信大多數(shù)人都會(huì)問(wèn)出類似的問(wèn)題：我們?nèi)祟愂怯钪嬷形ㄒ坏闹腔凵飭幔?/section>
 
因此，NASA 將第二張照片的主題定位為地外行星 (exoplanet)：
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圖片來(lái)源：NASA
等等？圖是不是放錯(cuò)了？為什么圖表蓋住了照片？
 
并沒(méi)有錯(cuò)，它就是 WASP-96 b，一個(gè)距離地球大約1150光年，具有大氣層，并且其中有水存在的氣態(tài)巨行星。
 
在照片中放了圖表，是因?yàn)?NASA 并沒(méi)有真的拍到它，也沒(méi)有足夠多的證據(jù)能夠給出一個(gè)合理的外觀猜測(cè)。不過(guò)，圖表當(dāng)中的數(shù)據(jù)，已經(jīng)足以證明這個(gè)地外行星存在，并且其大氣層內(nèi)有水形成的云霧的化學(xué)特征。
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圖片來(lái)源：NASA
據(jù) NASA 透露，WASP-96 b 是一個(gè)比較獨(dú)特，在我們的太陽(yáng)系中沒(méi)有特別近似行星可以直接對(duì)比的地外行星。
從目前的資料來(lái)看，WASP-96 b 上有生命的機(jī)會(huì)應(yīng)該非常渺茫：它也圍繞著一枚和太陽(yáng)接近的恒星公轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)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我們地球上類似的碳基生命存在。
但是，一個(gè)有水的地外行星存在仍然是極其重要和有意義的發(fā)現(xiàn)，更別提韋伯望遠(yuǎn)鏡到達(dá)預(yù)定位置開(kāi)啟工作之后不久之后就做出了這一發(fā)現(xiàn)。“韋伯望遠(yuǎn)鏡技術(shù)之強(qiáng)大，工作效率之高，是過(guò)去哈勃望遠(yuǎn)鏡所無(wú)法追趕的，”韋伯項(xiàng)目副主任科學(xué)家 Knicole Colón 表示。
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圖片來(lái)源：NASA
循環(huán)往復(fù)是一個(gè)很普遍的概念，在哲學(xué)和宗教等范疇里很容易找到。而在科學(xué)上，更是有著名的能量守恒定律，和相對(duì)論等一系列發(fā)散出的理論和猜想。
 
在恒星級(jí)別的天體尺度上，循環(huán)往復(fù)更是一種不變的真理。這一次，NASA 也用韋伯望遠(yuǎn)鏡拍下了三張照片，代表天體孕育到死亡再到新生的永恒循環(huán)。
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 (Southern Ring Nebula，編號(hào) NGC 3132) 就是這樣一個(gè)凄美的例子：
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圖片來(lái)源：NASA
過(guò)去的觀測(cè)普遍認(rèn)為，這個(gè)星云層疊式的氣體殼，應(yīng)該是來(lái)自于一枚處于“瀕死”階段的白矮星。它無(wú)法抗拒重力的崩塌，不斷向外射出氣體和物質(zhì)殘?jiān)?，形成了一層層美麗的行星狀星云?/section>
在此之前，科學(xué)家們有足夠的證據(jù)證明南環(huán)星云其實(shí)是一個(gè)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(yuǎn)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。
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圖片來(lái)源：NASA
NASA 隨后公布的第四張照片，讓我們可以從一個(gè)極巨大的視角上，近距離觀測(cè)最離奇和有趣的恒星誕生機(jī)制。
 
這張照片里的主角們，就是著名的史蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet），一個(gè)由五個(gè)視覺(jué)接近的星系組成的星系群。
 
為什么說(shuō)它極為巨大？圖片里有5個(gè)星系，站在地球上觀測(cè)的話它們合起來(lái)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(dá)1.5億，由接近一千張照片拼接而成：
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圖片來(lái)源：NASA
雖然說(shuō)是五重星系，其實(shí)這幾個(gè)星系當(dāng)中，真正距離足夠近，以至于產(chǎn)生相互的物理影響的只有4個(gè)星系，它們共同稱為 HCG 92。
這種相互影響也是它最有意思的地方：HCG 92 的四個(gè)組成星系之間，雖然大體上依然獨(dú)立，但它們之間的引力作用導(dǎo)致星系之間正在發(fā)生極為活躍的氣體交換。具體來(lái)說(shuō)，在圖片中間的兩個(gè)星系正處在高速的融合過(guò)程當(dāng)中，一個(gè)星系的氣體和物質(zhì)，正在以每小時(shí)數(shù)百萬(wàn)公里的速度落入到另一個(gè)星系當(dāng)中。
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圖片來(lái)源：NASA
 
歐洲空間局的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種氣體和物質(zhì)的交換活動(dòng)導(dǎo)致天體活動(dòng)極為活躍，從這個(gè)區(qū)域觀察到的紅外特征，非常強(qiáng)烈地表明這個(gè)區(qū)域正在加速誕生無(wú)數(shù)的新恒星。
 
這便是“洪荒之力”的最直接體現(xiàn)。
在宏觀的尺度上觀察這種洪荒之力后，NASA 的第五張照片，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(lái)自于船底座星云 (Carina Nebula)：星云和天體的相映成輝，讓這塊區(qū)域顯得像是層層疊疊的山巒，和背景里的星空。
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圖片來(lái)源：NASA
 
圖片中展示的是船底座星云的 NGC 3324 區(qū)域，在這里恒星正在大量誕生。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(zhǎng)大”，并且在過(guò)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(duì)周遭的太空產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，這也是為什么我們會(huì)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(shí)際上，它們是因?yàn)槭艿絼×业淖贤饩€輻射而導(dǎo)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骸）。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(dāng)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”。
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圖片來(lái)源：NASA
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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(shuō)剛才的 SMACS 0723 星團(tuán)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(gè)角落，所體現(xiàn)出的盎然生機(jī)。
 
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(xiàng)目副主任科學(xué)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。”
通過(guò)五張照片以及它們各自的主題，NASA 其實(shí)講述了一個(gè)宇宙不斷循環(huán)往復(fù)的故事。
拍下這些照片的韋伯望遠(yuǎn)鏡，美國(guó)乃至全球天空探索歷史上最昂貴的項(xiàng)目之一。這個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)之后跳票了整整14年，到去年圣誕節(jié)才終于發(fā)射，當(dāng)時(shí)已經(jīng)嚴(yán)重超支至少20倍，生命周期總耗費(fèi)高達(dá)100億美元。
好在，韋伯望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有讓大家失望。這樣一臺(tái)正式啟用沒(méi)多久的觀測(cè)設(shè)備，已經(jīng)為人類增添了許多嶄新的宇宙知識(shí)，和前所未有的觀測(cè)視角。項(xiàng)目組成員 Jane Rigby 透露自己第一次看到傳回的照片的時(shí)候，“哭的稀里嘩啦的”( I went and had an ugly cry)。
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100億美元的確是一筆不小的數(shù)目，因?yàn)闉榱藢?shí)現(xiàn)目標(biāo)，韋伯望遠(yuǎn)鏡必須實(shí)現(xiàn)許多前所未有的技術(shù)突破。
比如為了觀測(cè)數(shù)十億光年之外的星體，探測(cè)到它們發(fā)射過(guò)來(lái)殘留的極其微弱的紅外線，望遠(yuǎn)鏡必須有一個(gè)巨大的反射鏡，但為了能夠放在火箭負(fù)載里發(fā)射上天，不得不分割成18個(gè)六邊形的小鏡片，到了太空里再呈蜂窩狀展開(kāi)到大約6.5米的直徑。
鏡片的基底材質(zhì)采用了特殊合成的石墨環(huán)氧樹(shù)脂，主要的反光材料則為鈹 （拼音：pi2，化學(xué)符號(hào) Be），一種在宇宙中較為稀少的元素，再加上表面涂了一層只有大約700個(gè)原子厚度的金，因?yàn)榻饘?duì)于紅外線的反射效果更強(qiáng)。
在使用的時(shí)候，每一個(gè)鏡片上的上千個(gè)微小的“快門(mén)”都要在60開(kāi)爾文（約-213℃）以下的工作溫度能夠獨(dú)立開(kāi)關(guān)，鏡片角度也要微調(diào)，可以說(shuō)在電機(jī)微控方面實(shí)現(xiàn)了壯舉。
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為了保護(hù)鏡片和鏡頭的低溫敏感程度，韋伯望遠(yuǎn)鏡的四邊形遮陽(yáng)罩尺寸約為21x14米，最長(zhǎng)的對(duì)角展開(kāi)幾乎達(dá)到了網(wǎng)球場(chǎng)的長(zhǎng)度，材質(zhì)則為杜邦開(kāi)發(fā)的 Kapton 高強(qiáng)度化合化合纖維絲+鋁箔和其它隔溫化合物涂層，一共五層。
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這種結(jié)構(gòu)的隔溫效果極好，即使在對(duì)著太陽(yáng)的一面達(dá)到125度，靠近望遠(yuǎn)鏡本體的這一面仍然能夠維持在-235℃。
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正是為了確保望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果，不讓已經(jīng)花掉的錢(qián)打水漂，項(xiàng)目研發(fā)人員不得不燒掉更多的錢(qián)，確保萬(wàn)無(wú)一失。
 
更重要的是，這些花費(fèi)并不只適用于望遠(yuǎn)鏡本身，韋伯項(xiàng)目許多技術(shù)創(chuàng)新突破的成果，比如近紅外和中紅外探測(cè)技術(shù)、波形識(shí)別和過(guò)濾算法、完全被動(dòng)的冷卻技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)等，可以用于其它高科技和民用場(chǎng)景。
比如，NASA 和代工方的工程師們發(fā)明了一種精確快速地測(cè)量并打磨鏡片的方法，這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)投入到最先進(jìn)的激光眼部手術(shù)中。
有人可能會(huì)問(wèn)：難道我們不應(yīng)該把更多的錢(qián)和精力，用于打造更好的未來(lái)嗎？為什么要花上百億美元，把鏡頭對(duì)準(zhǔn)幾十億年前的天空？
一個(gè)角度是，這樣做體現(xiàn)了人們對(duì)“尋根”的追求。
 
在大的尺度上，尋根并不只是人文，更是一種科學(xué)的追求。人類作為一個(gè)物種，作為我們已知的宇宙世界中目前唯一的行星級(jí)智慧生物，當(dāng)然也會(huì)應(yīng)該去進(jìn)一步了解宇宙到底是如何誕生的，生命的起源究竟是什么。
 
了解了天體的生老病死的內(nèi)在機(jī)制，能夠幫助人類更好地發(fā)現(xiàn)和理解宇宙萬(wàn)物運(yùn)行的規(guī)則。掌握過(guò)去，掌握規(guī)則，我們才能打造更好的未來(lái)。
 
韋伯望遠(yuǎn)鏡，以及在它之前的哈勃和史匹哲望遠(yuǎn)鏡，和在它之后的更高科技的深空觀測(cè)設(shè)備，將幫助我們?cè)谶@一永無(wú)止境的科學(xué)探索道路上，踩下一個(gè)又一個(gè)更堅(jiān)實(shí)的腳印。
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注：圖來(lái)自于NASA，版權(quán)屬于原作者。如果不同意使用，請(qǐng)盡快聯(lián)系我們，我們會(huì)立即刪除。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)“硅星人”（ID：guixingren123），36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
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