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大名鼎鼎的占士·韋伯空間望遠鏡,為什麽連火星都拍不清楚?

2024-04-25科學

在人類已發射的空間望遠鏡之中,哈伯空間望遠鏡(Hubble Space Telescope)曾經備受關註,其優秀的觀測能力和豐富的科學成果令人矚目,然而在占士·韋伯空間望遠鏡(James Webb Space Telescope)發射升空之後,這樣的情況卻悄悄地發生了改變。

與哈勃望遠鏡相比,韋伯望遠鏡擁有更先進的技術和更強大的觀測能力,它以更大的口徑和更廣泛的波段覆蓋範圍,提供了比哈勃望遠鏡更為精確和詳盡的宇宙觀測數據,為了更直觀地了解這一點,我們不妨來看一個具體的例子。

這是由哈勃望遠鏡拍攝的經典照片——位於大約6500光年外的鷹狀星雲內的「創生之柱」:

這是由韋伯望遠鏡於2022年拍攝的「創生之柱」:

我們可以清楚地看到,韋伯望遠鏡明顯比哈勃望遠鏡強大,其拍攝的照片呈現出了更多的細節,也更加清晰。也正因為如此,在韋伯空間望遠鏡發射升空之後,很快就在探索宇宙的領域中占據了重要地位,而它的名字也因此逐漸被我們熟知。

或許我們可以認為,既然韋伯空間望遠鏡這麽強大,那它拍攝的火星應該也比哈勃望遠鏡清晰得多吧?那實際情況是否真是如此呢?我們來看圖說話。

這是哈勃望遠鏡於2016年拍攝到的火星:

可以看到,哈勃望遠鏡拍攝到的這張火星影像的清晰度並不算高,只能呈現火星表面的一些大致的輪廓,並沒有完全展現出火星表面的細節。

然而韋伯望遠鏡拍攝到的火星是這樣的:

這是韋伯望遠鏡於2022年9月5日拍攝的火星影像,可以看到,韋伯望遠鏡拍攝到的火星,可以說是模糊得一塌糊塗,相比之下,哈勃望遠鏡拍攝到的火星就顯得清晰多了。那麽問題就來了,大名鼎鼎的占士·韋伯空間望遠鏡,為什麽連火星都拍不清楚呢?

難道是它的器材出故障了?答案是否定的,實際上,之所以會出現這樣的情況,其實是因為韋伯望遠鏡的設計,並不適合用於對火星進行基於可見光的成像。

簡單來講,韋伯望遠鏡擁有多項主要任務,其中包括「探測宇宙中初代星體和星系」,「研究星系、恒星及其行星系統的形成和演化」,「研究系外行星的大氣成分」,「探索系外行星上可能存在的生命跡象」等等。

為了完成這些任務,韋伯望遠鏡的設計就著重於強調其出色的深空探測能力。而望遠鏡對宇宙的觀測,其實就是觀測特定波長範圍的電磁波,用途不同的望遠鏡,觀測的波段範圍也可能不一樣,對於韋伯望遠鏡而言,它觀測的是波長為600-28300納米的電磁波,在這個範圍內,其實只包括少數波長較長的可見光(如橙光、紅光),而其余的則都是紅外線。

這主要有三個方面的原因:一、紅外線的波長比可見光更長,可以更容易地穿過彌散在宇宙空間中的氣體和塵埃;二、宇宙中的那些溫度較低的天體(如系外行星),主要是在紅外線波段下釋放輻射;三、宇宙中那些遙遠的天體所發出的光線在傳播過程中,會因為宇宙的膨脹出現紅移,進而轉變成紅外線。

為了盡可能多地探測到宇宙深處的微弱資訊,韋伯望遠鏡被設計成對電磁波極為敏感,但這樣的設計也有一個弊端,那就是如果光源稍微強一點,就容易出現「探測器飽和」(detector saturation)。

所謂「探測器飽和」,是指當探測器受到過強光源照射時,其響應達到其最大處理能力的狀態,在這種狀態下,探測器的輸出訊號就不再隨著輸入訊號的增加而線性增加,而是趨向於定值,這會導致觀測數據嚴重失真、訊噪比大幅下降等情況,而如果較長時間地處於這種狀態,則可能會導致探測器的永久損壞。

對於韋伯望遠鏡來講,火星其實就是一個很強的光源,因此在拍攝火星的時候,為了避免韋伯望遠鏡出現「探測器飽和」,人們只能大幅降低曝光時間,並且還只是測量了它接收到的一少部份光線,在此基礎上,再加上觀測波段的原因,它拍攝的火星才會顯得很是模糊,進而讓我們覺得它連火星都拍不清楚。

相對而言,哈勃望遠鏡觀測的是波長為100-1000納米的電磁波,這個範圍其實包括了可見光的全部波段,除此之外,哈勃望遠鏡的口徑更小,其對電磁波的敏感程度也沒有韋伯望遠鏡那麽高,所以哈勃望遠鏡相對更適合對火星進行基於可見光的成像,它拍到的火星當然也就清晰得多。