特想问 | 花费近百亿美元，宇宙最深处的高清全彩照拍到了啥？值吗？

这是能够载入人类天文史的一天。

由NASA斥资近百亿美元打造的韦布太空望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST），升空近8个月后，首次传回其拍下的宇宙全彩画面。

图片来源：美国总统拜登社交媒体截图

此次公开的韦布第一张正式照片，称为“韦布第一深场”，于7月12日（当地时间7月11日）由拜登和NASA局长尼尔森在白宫正式联合发布。据NASA称，这是迄今为止人类拍到的宇宙最深处、细节最清楚的一张照片，拜登表示，这张照片代表了“科学技术的历史性时刻”。

这张照片显示的是距离地球46亿光年的星系团SMACS 0723。韦布的近红外相机（NIRCam）让这些遥远的星系清晰地聚焦在一起——它们有以前从未见过的微小而模糊的结构，包括星团和漫射特征。

这一首张深场照片，由不同波长的图像组合而成，总曝光时长达12.5小时。

虽说这次揭示了数以千计的星系，但实际上这张图覆盖的天区极小。

“如果你将一粒沙子放在自己的指尖上，伸直手臂看去，（这张图片）代表的就是你所看到的宇宙的相对比例大小”，尼尔森说，“这只是宇宙的一小部分。”

我们可以从这张照片开始，逐级缩放到肉眼可见的天空，来感受一下这张照片所对应的区域到底有多小。

仔细观察，这张“仅用时12.5小时拍摄完成的46亿年前”的SMACS 0723星系团图像其实全是细节。

这张图像显示的SMACS 0723，展示了位于南天的飞鱼座（Volans），是一个还未被广泛研究的地带。这个星系团的总质量就像一个引力透镜，放大了它后面远得多的星系，仅在这张照片就有成千上万个星系，其中一些星系发出的光经过了130亿年才到达望远镜的镜面。从照片上可以看到它周围的众多星系和很多弧线，这些弧线，被称为“爱因斯坦环”，是极大质量的前景星系团放大和扭曲了背后星体的光造成的。

放大看照片细节，能看到很多的小亮点，即使是那些最微弱的斑点也不是噪点，而是一个个恒星、星系或星系团。尤其是图中显示为肉红色的那些，更是相当遥远，几乎都要看到宇宙最初的模样了。通过检查它们的光谱，研究人员可以继续深入了解星系的年龄、质量、形成历史、元素等。

而这张照片的曝光时间也让人惊喜。以往哈勃望远镜需要数周的曝光时间，韦布仅用时12.5小时就完成了，清晰度也有了极大的提升。

在此之前，“哈勃”超深场图像是人类拍摄过迄今为止最久远宇宙的照片，而“韦布”传回的图像显然更加震撼。

与哈勃对相同区域的合成图像相比，韦布望远镜既能看到以前从未曝光过的物体，也能看到之前发现的完全模糊的物体细节。

左为哈勃望远镜拍摄，右为韦布望远镜拍摄，可以看到更多细节被展示。

一些以前看不清的微弱模糊天体，现在已经能看到明显的如旋臂一样的结构细节。

造价近百亿美元的“韦布”：

宇宙之眼的黄金主镜

问题来了，拍下这张照片的“功臣”韦布望远镜到底长啥样？又是怎样工作的？

詹姆斯·韦布空间望远镜是美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局的合作项目，是已经服役多年的哈勃空间望远镜的“继任者”。它以NASA第二任局长的名字詹姆斯·韦布命名，相比起前任哈勃望远镜，韦布望远镜的目标更为宏大——探索宇宙的诞生——它有望观测到135亿年前宇宙的“模样”。

综合科学仪器模块(ISIM)承担着“韦布”的科研探索工作，一共由4款主要仪器组成，分别是近红外相机(NIRCam）、近红外光谱仪(NIRSpec)、精细制导传感器/近红外成像无缝隙光谱仪(FGS/NIRISS)、中红外仪(MIRI)。与专注于可见光波段的“哈勃”不同，“韦布”可以看到波长更长的中红外波段，同时具有更高的灵敏度与分辨率。

经过几个月的工作，这张全彩图像也是韦布向全人类交出的第一份作业。

韦布望远镜由一个黄色的主镜和下方巨大的遮阳板组成，拥有18片一尘不染的镀金主镜片、5张聚酰亚胺隔热罩、低至-223摄氏度的工作温度。

其中主镜共由18个六边形铍反射镜组成，每片镜面跨度超过 21 英尺，镜子大概一张桌子大小。

韦布望远镜在做发射前的最后准备。（图片来源：视觉中国）

这18个镜面必须高度对齐才能发挥作用，有多精确呢？

误差范围只允许在一根头发丝的距离，并最终组装成一个直径约6.5米的完整主镜。主聚光镜大约是哈勃望远镜的三倍，灵敏度是其七倍。

与哈勃望远镜相比，韦布望远镜具有两大特点：

其一是巨大的体积，直径21.3英尺的主镜使其成为人类历史上看得最远的望远镜。

其二是强大的红外线观测功能，韦布望远镜是太空中唯一一台可以进行远距离观测的红外线望远镜，能够看到更多过去观测不到之处，成为我们“全新的眼睛”。

想象一下，当我们观察到一百万光年之外的东西时，我们现在看到的实际上是一百万年前的样子，因为光的传输需要时间。这样，观察宇宙就像可以看到“时光倒流”。

韦布观测宇宙的起源。

几十亿光年之外的星系发出的光穿过不断膨胀的宇宙到达我们时，其波长将延伸到红外线，这称为“红移”。韦布望远镜属于红外望远镜，它的红外视觉使其成为一个强大的时间机器，而且依照光学原理来看，其主镜就是一个“凹面反射镜”，在其他反射镜的帮助之下，韦布望远镜的视野相比哈勃而言会更加的开阔，能让我们看到可观测宇宙更早期的图像，也为我们发现更多的系外行星提供了更多可能性。

2021年12月25日晚，詹姆斯·韦布空间望远镜在法属圭亚那库鲁赤道附近的航天中心正式升空，其运行点距离地球长达150万公里。

深入探索宇宙第一步：

数据是如何存储并且准确传输到地球？

这张图像只是韦布望远镜或者更深入宇宙探索的开始。让我们好奇的是，距离地球约150 万公里处的数据，到底是如何被存储并且准确传输到地球的呢？

事实上，韦布的通讯技术并不华丽。在遥远外太空作为信息获取信号，相比技术的先进性，数据和通信系统最需要的核心性能更是——可靠。但不可否认，JWST依然进行了很多技术上的突破。例如，这是第一个使用K a波段频率来实现距离地球如此之高的数据速率的任务。同时，JWST 的通信为 JWST 的科学努力奠定了基础。

JWST 停在拉格朗日点 L2 。这是一个引力平衡点，位于地球外约 150 万公里处，位于行星和太阳之间的直线上。对于 JWST 来说，这是一个理想的位置，可以无障碍地观察宇宙，并且轨道调整最少。

然而，距离地球如此之远，意味着数据要走得更远才能将其整合为一体。这也意味着通信子系统需要可靠，因为至少在短期内，一旦出现问题，派遣维修人员来修理的可能性极小。 JWST 的任务系统工程师Michael Menzel 说，考虑到所涉及的成本和时间，“除非出现严重错误，否则我不会进行会合和维修任务。”

据以某种身份从事 JWST 工作 20 多年的 Menzel 表示，该计划一直是使用广为人知的 K a波段频率来传输大量科学数据。K a波段频率可以传输比X 波段（7 至 11.2 GHz）或S 波段（2 至 4 GHz）更多的数据，这是深空飞行器的常见选择。具体来说，JWST 正在以高达 28 兆比特/秒的速度在 25.9 吉赫兹信道上将数据传输回地球。K a波段是更宽的 K 波段 的一部分（另一部分， Ku 波段 ，也被考虑在内）。

拉格朗日点是平衡位置，在该位置上，物体上的竞争引力牵引力为零。JWST 是目前占据 L2的另外两艘飞船之一。

JWST 在其生命周期内收集的任何科学数据都需要存储在飞船上，因为航天器不会与地球保持全天候的联系。从其科学仪器收集的数据一旦收集，就会存储在航天器的 68 GB 固态驱动器中（3% 用于工程和遥测数据）。太空望远镜科学研究所的飞行系统工程师Alex Hunter表示，由于深空辐射和磨损，到 JWST 的 10 年任务寿命结束时，存储量预计将降至 60 GB 左右。

板载存储足以在空间用完之前收集大约 24 小时的数据。在这之前，JWST 将安排机会将这些宝贵的数据发送到地球。

JWST 的数据收集和传输速率都比旧的哈勃太空望远镜要高得多。与仍然处于活动状态并每天生成 1 到 2 GB 数据的哈勃相比，JWST 每天可以产生高达 57 GB 的数据（尽管该数量取决于计划的观测内容）。

寻找宇宙起源：

韦布至少还能工作10年

NASA介绍称，韦布空间望远镜将解开太阳系的谜团，探索宇宙的神秘结构与起源，以及我们在其中的位置。韦布太空望远镜主要有两个目标：一个是拍摄135亿多年前宇宙中第一颗闪耀的恒星，另一个则是探测遥远行星以观察它们是否适合居住。

这次公布的照片是韦布的众多照片中的第一张。根据NASA副局长帕姆·梅尔罗伊的说法，这次任务预计将持续10年，但韦布有足够的燃料能够运行20年。

这张照片可以说只是一道“开胃菜”，它不仅展示了宇宙的辽阔和壮美，更标志着韦布的测试工作已经结束，正式的科学探测工作开始。

目前，“韦布”望远镜拍的宇宙深场图，对准的是距地球132亿光年距离的区域，而宇宙年龄目前我们已知大约是137亿年。未来韦布将能捕捉到更远的图像，可以追溯到大约135亿年前的早期宇宙，为人类提供一个从未窥见过的景象，从第一代恒星和星系中捕捉到的光，将描述他们从气体和尘埃云中诞生到超新星死亡的更多演化细节，我们将看到最早的星系是如何相互作用和成长的，展示出人类所知宇宙最接近诞生之初的模样。

在如此接近宇宙最初的这段时期被更准确地观测到之后，很多目前只停留在理论上的预言或者效应，比如说暴胀、暗物质、暗能量以及宇宙演化说，都有可能被真正的实际观测结果所检验。

从这一意义上来说，所耗费的百亿美元“天价”制造成本，好像都算不了什么。

据悉，NASA将在美东时间7月12日星期二上午10:30（北京时间晚上10:30），在马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心进行直播，发布韦布空间望远镜的首批全套全彩图像和光谱数据，届时我们可以看到其余的高分辨率彩色图像。

参考资料：https://www.jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/news.html

https://www.zhihu.com/question/542809229

（综合相关报道资料： NASA官网 中国新闻网 中国航天报 界面新闻 大数据文摘  新智元）

综合 周梦璇 审读 刘春生 审核 范锦桦 桂桐