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大名鼎鼎的詹姆斯·韦伯空间望远镜,为什么连火星都拍不清楚?

2024-04-25科学

在人类已发射的空间望远镜之中,哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope)曾经备受关注,其优秀的观测能力和丰富的科学成果令人瞩目,然而在詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope)发射升空之后,这样的情况却悄悄地发生了改变。

与哈勃望远镜相比,韦伯望远镜拥有更先进的技术和更强大的观测能力,它以更大的口径和更广泛的波段覆盖范围,提供了比哈勃望远镜更为精确和详尽的宇宙观测数据,为了更直观地了解这一点,我们不妨来看一个具体的例子。

这是由哈勃望远镜拍摄的经典照片——位于大约6500光年外的鹰状星云内的「创生之柱」:

这是由韦伯望远镜于2022年拍摄的「创生之柱」:

我们可以清楚地看到,韦伯望远镜明显比哈勃望远镜强大,其拍摄的照片呈现出了更多的细节,也更加清晰。也正因为如此,在韦伯空间望远镜发射升空之后,很快就在探索宇宙的领域中占据了重要地位,而它的名字也因此逐渐被我们熟知。

或许我们可以认为,既然韦伯空间望远镜这么强大,那它拍摄的火星应该也比哈勃望远镜清晰得多吧?那实际情况是否真是如此呢?我们来看图说话。

这是哈勃望远镜于2016年拍摄到的火星:

可以看到,哈勃望远镜拍摄到的这张火星图像的清晰度并不算高,只能呈现火星表面的一些大致的轮廓,并没有完全展现出火星表面的细节。

然而韦伯望远镜拍摄到的火星是这样的:

这是韦伯望远镜于2022年9月5日拍摄的火星图像,可以看到,韦伯望远镜拍摄到的火星,可以说是模糊得一塌糊涂,相比之下,哈勃望远镜拍摄到的火星就显得清晰多了。那么问题就来了,大名鼎鼎的詹姆斯·韦伯空间望远镜,为什么连火星都拍不清楚呢?

难道是它的设备出故障了?答案是否定的,实际上,之所以会出现这样的情况,其实是因为韦伯望远镜的设计,并不适合用于对火星进行基于可见光的成像。

简单来讲,韦伯望远镜拥有多项主要任务,其中包括「探测宇宙中初代星体和星系」,「研究星系、恒星及其行星系统的形成和演化」,「研究系外行星的大气成分」,「探索系外行星上可能存在的生命迹象」等等。

为了完成这些任务,韦伯望远镜的设计就着重于强调其出色的深空探测能力。而望远镜对宇宙的观测,其实就是观测特定波长范围的电磁波,用途不同的望远镜,观测的波段范围也可能不一样,对于韦伯望远镜而言,它观测的是波长为600-28300纳米的电磁波,在这个范围内,其实只包括少数波长较长的可见光(如橙光、红光),而其余的则都是红外线。

这主要有三个方面的原因:一、红外线的波长比可见光更长,可以更容易地穿过弥散在宇宙空间中的气体和尘埃;二、宇宙中的那些温度较低的天体(如系外行星),主要是在红外线波段下释放辐射;三、宇宙中那些遥远的天体所发出的光线在传播过程中,会因为宇宙的膨胀出现红移,进而转变成红外线。

为了尽可能多地探测到宇宙深处的微弱信息,韦伯望远镜被设计成对电磁波极为敏感,但这样的设计也有一个弊端,那就是如果光源稍微强一点,就容易出现「探测器饱和」(detector saturation)。

所谓「探测器饱和」,是指当探测器受到过强光源照射时,其响应达到其最大处理能力的状态,在这种状态下,探测器的输出信号就不再随着输入信号的增加而线性增加,而是趋向于定值,这会导致观测数据严重失真、信噪比大幅下降等情况,而如果较长时间地处于这种状态,则可能会导致探测器的永久损坏。

对于韦伯望远镜来讲,火星其实就是一个很强的光源,因此在拍摄火星的时候,为了避免韦伯望远镜出现「探测器饱和」,人们只能大幅降低曝光时间,并且还只是测量了它接收到的一少部分光线,在此基础上,再加上观测波段的原因,它拍摄的火星才会显得很是模糊,进而让我们觉得它连火星都拍不清楚。

相对而言,哈勃望远镜观测的是波长为100-1000纳米的电磁波,这个范围其实包括了可见光的全部波段,除此之外,哈勃望远镜的口径更小,其对电磁波的敏感程度也没有韦伯望远镜那么高,所以哈勃望远镜相对更适合对火星进行基于可见光的成像,它拍到的火星当然也就清晰得多。