韦伯传感器 人类最大太空望远镜韦伯传回首组恒星照片与“自拍”

人类最大太空望远镜韦伯传回首组恒星照片与“自拍”

澎湃新闻记者 王蕙蓉

近日，詹姆斯·韦伯太空望远镜成功拍摄并传回首组恒星照片与首张“自拍照”。

首组恒星照片展示了韦伯望远镜18个主镜捕捉到的来自同一恒星的星光，同时韦伯望远镜成功使用近红外相机内部的专用瞳孔成像镜头完成首张“自拍”。

韦伯望远镜首张主镜“自拍照”，图片来自NASA

自2月2日，韦伯团队使用近红外相机(NIRCam)来校准韦伯望远镜的主镜，整个工作将耗时数月，目前第一阶段工作已接近完成。

在第一阶段工作中，该团队将首个观测目标指向大熊座中的一颗恒星HD 84406。选择这颗恒星，是因为它容易识别，并且周围明亮的恒星较少，有助于减少视觉混淆。

为了测试和校准主镜，韦伯近红外相机的10个探测器总共拍摄1560张照片，获得54G原始数据，整个过程持续25小时。在前6小时和16次曝光中，团队在韦伯望远镜的18个镜面均捕捉到了目标恒星的星光。然后，这些图像被拼接在一起，形成一张超过20亿像素的巨幅图像，本文展示的图片只是这张巨幅图像的中心部分。

韦伯望远镜捕捉到的18个星点拼接图像，图片来自NASA

由于韦伯望远镜采用非对齐镜面，因此不同主镜获得的星点位置不同，从而形成了包含18个星点的拼接图像。图像中每一个独特的光点，都是18个主镜所拍摄到的同一颗恒星，这是光学专家和工程师用来校准整个韦伯望远镜的关键。这些图像有助于部署每个镜面的校准位置，是韦伯望远镜在科学观测前进行校准的关键一步。

接下来的一个月左右，韦伯团队将逐步调整镜面部分，直至这18个星点重合，变成一颗完整恒星的图像。

18个星点重合形成一颗完整恒星的统一成像过程演示，素材来自NASA

“整个韦伯团队都对图像拍摄，以及校准望远镜的第一步进展感到欣喜若狂。我们很高兴看到光线能够进入近红外相机。”亚利桑那大学天文学教授兼近红外相机首席研究员Marcia Rieke说道。

近红外相机是韦伯望远镜的波前传感器和关键成像仪。由于近红外相机具有广阔视野和相比其他仪器能在更高温度下安全操作的能力，它将用于几乎整个韦伯望远镜的镜面校准。但由于近红外相机在捕捉图像时，工作温度远高于理想温度，因此得到的图像以马赛克的形式呈现。随着韦伯望远镜接近理想的低温温度进行工作，图像的马赛克程度将显著减少。

“将韦伯发射到太空当然是令人兴奋的事件，但对于科学家和光学工程师来说，当来自恒星的光成功通过系统进入探测器，才是巅峰时刻。”韦伯望远镜项目科学家Michael McElwain表示。

展望未来，作为一座功能性太空望远镜，韦伯望远镜的图像将更清晰、更详细、更精准。目前，该望远镜的其它三个仪器已达到预期的低温工作温度并开始捕捉数据，而首批来自韦伯望远镜的科学太空图像预计将在2022年夏天向全世界“首秀”。

03:00

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詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到首组恒星照片与“自拍”讲解，视频来自NASA(03:00)

责任编辑：李跃群

科学汇 韦伯望远镜传回照片啦！遥远的恒星，为什么有“尖角”

钱江晚报·小时新闻记者 郑琳

詹姆斯·韦伯太空望远镜

同学们还记得去年12月底发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜吗？这台耗资100亿美金的超级望远镜，最近已经传回了第一批图像！

韦伯望远镜拍摄的恒星图片

上周，韦伯望远镜完成了校准调试，并拍摄传回了测试图片，令全球的天文学家叹为观止。有趣的是，韦伯拍到的恒星照片，有非常锐利的放射状光芒，这是为什么？

原来，这和我们中学物理学过的一个知识：光的衍射相关。本期，我们邀请杭二中物理老师王恺，为大家出几个相关的思考题。

15.8万光年外的“邻居”

“高清无码”照令人震惊

在完成了校准调试以后，韦伯望远镜用大麦哲伦星系(LMC)作为试拍摄对象。这个星系是我们所在的银河系的“邻居”，距离银河系大约15.8万光年，它绕着银河系运转，是银河系周围最大的一个卫星星系。

LMC星系

在测试拍摄完成后，工程师们说，韦伯望远镜的光学性能比最乐观的预测还要好。欧洲航天局科学与探索高级顾问表示：“詹姆斯韦伯没有违反物理学定律，但由于几十年来的非凡努力，它确实处于太空观测的顶端。”

在这些工程图像公开后，天文学家们找了另外两台红外太空望远镜与韦伯望远镜的图像进行对比。它们分别是宽红外勘测探测器（WISE）望远镜，以及斯皮策太空望远镜，它们都拍摄了LMC星系。

对比的结果令人震惊，韦伯望远镜的分辨率大大提高了，它拍摄到的恒星图像如此清晰，使得从前的太空望远镜看起来就像“近视眼”。

为什么韦伯望远镜的光学性能如此优秀呢？因为，WISE望远镜的直径是40厘米，斯皮策太空望远镜主镜的直径是85厘米，而韦伯望远镜的主镜直径有6.5米！口径越大的望远镜，分辨率和灵敏度当然越高。

韦伯望远镜的主镜口径6.5米

除了口径大，韦伯望远镜还有很多精密科学仪器套件的帮助。同学们注意，这次拍摄LMC星系的只是韦伯一个科学套件——中红外仪器MIRI拍摄到的照片。韦伯望远镜还有近红外照相机 NIRCam、近红外摄谱仪NIRSpec等等，这些科学套件还会带来更多强大的功能。

同学们可能会问，韦伯望远镜的性能高，天文学家和工程师们不是应该早就知道吗？为什么他们还是会震惊呢？确实，在韦伯望远镜发射前，科学家们在地面上已经测试过它的性能，但地面测试并不能覆盖太空里所有的实际运行情况。例如，重力会引起性能的变化。韦伯望远镜的分镜被设计为，在零重力下具有特定的形状。但在所有地面试验中，它们不可避免地会因重力而变形。

为什么星星有“尖角”？

这是光的衍射

同学们也许注意到了，韦伯望远镜拍摄的照片中，有一颗很亮的恒星，呈现出锐利的尖形星芒。就像我们平时画画的时候，会把星星画出尖尖的角一样，只不过韦伯望远镜拍出的“角”锐利得多。

那么，大家是否想过，远方的恒星和我们的太阳一样，应该是球形的，为什么拍摄出来的照片有星芒呢？其实，这就涉及到我们中学物理课上学过的一个知识：光的衍射。

这些放射状的夺目的光线叫“衍射十字星”，它是望远镜中用于支撑副镜的杆子，或者相机光圈边缘的光衍射产生的。韦伯望远镜是一台反射望远镜，星光照射到最大的主镜后，光线被反射，汇聚到副镜中，然后再次反射，被类似相机的传感器捕捉。

问题就出在这个副镜上。这个副镜要位于主镜的中心轴上，所以必须要用支柱支撑住它保持稳定。不管这些支撑结构有多么细，它都会挡住一小部分入射光线。

根据我们中学物理学过的知识，当光遇到障碍物时，会产生偏离原来直线传播，绕过障碍物继续传播的现象，这就是衍射。所以，当遥远的星光入射时，会有一些光线掠过支撑杆，发生微小的偏转，最终就会在“不存在”的地方成像，形成星芒。衍射光线的形状会受到支撑杆布局的影响而改变，如下图所示。

不同形状的障碍物形成的衍射图案

我们的眼睫毛和眼皮也能产生类似的效果。当你在夜晚眯着眼睛，然后看远处的路灯，很容易看到衍射现象。光源越亮，衍射越明显。

其实，星芒会严重干扰观测，所以韦伯拍摄的这颗恒星只是用来调试、对齐镜片的，并不是正式的观测。在今后的实际观测中，科学家会用一系列操作消除星芒。韦伯的第一张正式图像，也就是被称作“第一道光”的图像将在今年7月份发布。

思考题

1、光的衍射会导致设备的直径越大，往往分辨率越高，根据瑞利判据可得其最小分辨角。人的肉眼分辨极限约为一角分，请查询相关知识并试估算：

① 人的瞳孔大小变为多少时会伸手不辨五指？

② 某人宣称可以观察到相隔一公里的大桥上的直径1cm的钉子，请问他的瞳孔至少要多大？

2、用激光笔照射弹簧，可以观察到衍射图样，用特定频率的光照射双螺旋结构的DNA也可以观察到衍射图样，这种特定的光属于哪一种光

解析：DNA属于微观物体，大小约为几个纳米，要产生明显的衍射现象需要用波长相当或更小光线进行照射，因此选用X射线。

3、激光通过下列哪一个孔会出现如图所示的衍射图样？

答案：A

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