100 亿美元 造 的 詹姆斯 · 韦伯 空间 望远镜 望 到底 能干 啥 ？ 宇宙 演化 和 外星 生命 就 看 它 了 (1)

各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師

前 幾天 詹姆斯 · 韋伯 空間 望遠鏡 終於 升空 了

從 原本 設計 到 2007 年 發射 預算 5 億美元

一直 延期 到 了 2021 年底

預算 也 上漲 到 了 接近 100 億美元

不過 幸好 它 終於 升空 了

全世界 的 天文學家 和 天文 愛好者 們

都 為 此 歡呼雀躍

有 小朋友 就問 我 說

這 詹姆斯 · 韋伯 望遠鏡 到底 有什 麽 特殊 的 地方

為什 麽 它 要 花 這 麽 多 錢 呢

它 上 了 天 能給 我們 帶來 什 麽 呢

今天 我們 就 來講 一講 空間 望遠鏡

尤其 是 這 一臺 有史以來 最 昂貴 的

韋伯 空間 望遠鏡

望遠鏡 是 用來 觀察 宇宙 的

所以 咱們 先來 回顧 一下

我們 到底 希望 用 望遠鏡 從 宇宙 中 了解 什 麽

什 麽 是 宇宙 呢

中國 古人 說 上下 四方 為宇 古往今來 為宙 |||||"as space"||for time

所以 宇宙 就是 無限 的 空間 和 無限 的 時間

但 實際上 時間 和 空間 都 不是 無限 的

宇宙 是從 一次 大 爆炸 開始 的

我們 把 時間 的 零點 叫做 大 爆炸

那 麽 科學家 們 懷疑

大 爆炸 是 因為 量子 漲落 造成 的

在 它 爆炸 之後 產生 了 很多 的 基本粒子

那 麽 這些 粒子 彼此 聚合 演化

形成 了 今天 的 宇宙

比如說 中間 有 一段時間 宇宙 是 不 透明 的

後來 電子 質子 中子 結合 成 原子

宇宙 就 開始 透明 了

宇宙 透明 了 之後 大約 是 在 4 億年 左右 的 時間

在 宇宙 大 爆炸 之後 4 億年 的 時候

出現 了 第一顆 由於 這個 氫原子 和 氦 原子 聚合

而 形成 的 恒星

恒星 開始 發光 發熱 了

那 於是 宇宙 中有 的 第一顆 恒星

然後 這些 恒星 就 不停 地 演化

比如說 出現 了 超新星 噴發

然後 聚合 成 二代 的 恒星

如此 的 演化 演化 了 幾十億年

到 了 90 億年 左右 的 時候

太陽系 就 形成 了

那 麽 又 演化 了 很多年

到 了 138 億年 的 時候

就 發展 出 了 地球 和 人類 也 就是 現在 了

所以 宇宙 的 年齡

我們 認為 大約 是 在 138 億年 左右

那 麽 如果 我們 現在 想 看到

宇宙 形成 之初 的 樣子

或者 是 第一批 恒星

我們 能 不能 做 得到 呢

這個 問題 我們 可以 換 一個 問法

比如說 我們 想 看一看 恐龍 世界 到底 是 什 麽 樣子

我們 能 不能 做到 呢

也許 你 會 說 那 恐龍 時代 都 已經 過去

恐龍 都 滅絕 了

我們 怎 麽 看

你 不要 忘 了 恐龍 存在 的 時候

它 反射 的 光線 會 向 宇宙 中 發射 對 吧

經過 了 很多很多年

還會 有 微弱 的 光線 在 宇宙 中 傳播

如果 有離 我們 非常 非常 遙遠 的 外星人

他們 有 可能 用 望遠鏡 觀察 地球 的 時候

看到 的 正好 就是 恐龍 時代

假如 他 把 這個 圖像 記錄下來

那 以後 沒準 我們 就 可以 從 外星人 的 資料館 裏面

找到 恐龍 的 樣子 了 對 不 對

同樣 道理

我們 現在 利用 一個 望遠鏡 我們 去 仰望 天空

我們 看到 的並 不是 現在 的 宇宙

舉 個例 子 來講 太陽

太陽 距離 地球 有 8 光分 的 距離 ||||light minutes||

也就是說 太陽光 傳播 到 地球 需要 8 分鐘 的 時間

我們 看到 的 其實 是 8 分鐘 之前 的 太陽

那 再 比如說 有 一顆 星叫 比鄰星 |||||Proxima Star|

這個 比鄰星 它 距離 地球 有 4.2 光年

也就是說 它 發出 的 光

需要 4.2 年 的 時間 才 能夠 到達 地球 是不是

那 我們 看到 的 是不是 4.2 年 之前 的 比鄰星

如果 我們 有 一顆 星

這顆 星 叫做 GN-z11

這個 是 哈勃 望遠鏡 和 斯皮策 望遠鏡 |||||Spitzer|

拍攝 到 的 一個 星系

那 麽 這個 星系 它 發出 的 光 到達 地球

需要 134 億年

這 說明 了 什 麽

這 說明 我們 現在 看到 的 星系

是 它 在 134 億年 之前 的 樣子

134 億年 之前 是 什 麽 時候

不 就是 宇宙 大 爆炸 發生 之後 的 4 億年 嗎

也就是說 我們 認為 這是 宇宙 中 的 第一批 的 星系

所以 當 我們 仰望 天空 的 時候

只要 我們 能 看 得 足夠 遠

我們 就 能夠 看 得 足夠 古老

這個 宇宙 不僅僅 是 一個 空間 的 長廊

它 同時 也 是 一個 時間 的 隧道

你 往 遠處 看 看到 的 就是 宇宙 原始 的 樣子

你 如果 能夠 把 宇宙 中 所有 的 星星 都 看遍 了

你 就 可以 看到 整個 宇宙 的 演化過程 了 對 吧

所以 我們 利用 望遠鏡

不光 可以 看到 大 範圍 的 宇宙

更能 看到 宇宙 的 演化 的 過程

同時 我們 還要 註 意

這個 宇宙 演化 的 時候 它 是 逐漸 膨脹 的

也就是說 你 最 開始 的 時候 宇宙 是 一個 奇點

後來 它 爆炸 了

爆炸 了 之後 比如 有 一顆 星

這顆 星 在 A 這個 位置

然後 它 向 地球 可能 那個 時候 還 沒有 地球

反正 它 向 地球 的 方向 發了 一束 光

發了 一束 光

比如說 這個 是 在 4 億年 的 時候 它 發出 的 光

那 麽 後來 過了 134 億年 到 現在 了

這個 時候 宇宙 已經 變得 比較 大

宇宙 已經 變得 比較 大 了

這是 在 138 億年 的 時候 宇宙 的 大小 是不是

那 麽 此時 假如 這顆 星還 在 |||||"still shining"|

事實上 它 應該 是 不在 了

那 麽 它 的 位置 已經 更 遠離 了

它 的 位置 已經 更 遠離 了

所以 這個 時候 我們 看 它 發出 的 光會 怎 麽 樣

它 發出 的 光波長 就 會 被 拉長

就是 因為 你 本來 發出 的 光 比如 是 可見光

但是 宇宙 在 膨脹

你 一 膨脹 你 這個 波長 就 被 拉長 了

波長 被 拉長 這 叫做 紅移 對 吧

就是 你 本來 是 可見光

結果 被 拉長 了 之後 變成 紅光 了

你 再 拉長 就 變成 紅外線 了

這個 現象 被 稱 之 為 紅移

同時 因為 宇宙 的 膨脹

所以 我們 有 一種 說法

說 這個 宇宙 的 年齡 是 多少 呢

宇宙 的 年齡 是 138 億年

但是 宇宙 的 半徑

我們 說 的 是 可 觀測 宇宙 的 半徑

卻 有 465 億光年

這個 你 明白 為什 麽 呢

為什 麽 年齡 138 億年

但是 半徑 去 有 465 億光年 呢

這是 因為 宇宙 的 膨脹 的 速度 是 可以 超過 光速 的

比如說 這個 GN-z11 這顆 星

它 在 134 億年 之前 發出 的 光線

這個 光線 經過 134 億年 到達 了 地球 對 吧

同時 它發 了 光 之後 還在 繼續 向外 膨脹

所以 現在 我們 看到 它 的 時候

它 已經 不在 原來 那個 位置 了

它 已經 在 320 億光年 之外 了

所以 我們 就 說 宇宙 的 年齡 138 億年

但是 半徑 卻 有 465 億光年

它 一邊 發光 一邊 膨脹

而且 這個

這個 膨脹 的 速度 比光 的 速度 還要 快 是 吧

所以 我們 如果 想 看到 這個 宇宙 的 原始 的 樣子

我們 怎 麽 辦

我們 要 看 得 更遠

我們 要 看 得 更遠 我們 需要 什 麽

需要 望遠鏡

這個 望遠鏡 有什 麽 要求

第一個 要求 要 大 口徑

因為 大 口徑 才能 吸收 更 多 的 光 是 吧

這是 第一個 要求

第二個 要求 就是 要 無 幹擾

什 麽 叫 無 幹擾 呢

你 看 如果 你 在 地面 上

你 用 望遠鏡 去 看 天空 的話

你 可能 被 雲彩 遮擋 對 吧

可能 被 飛機 遮擋

最 重要 的 是 會 被 大氣 散射

大氣 它 這個 會 擾動 光線

所以 看起來 就 非常 不 清楚

因此 我們 在 地面 上 做 一個 大 口徑 的 還不太夠

我們 應該 到 天上 去 做 個 大 口徑 的 望遠鏡 是 吧

好 除此之外 剛才 已經 說過 了

說 因為 宇宙 的 膨脹

因為 宇宙 它 是 在 不停 地 膨脹 的

而且 越遠 的 地方 它 的 速度 越 快

因為 宇宙 的 膨脹 所以 造成 了 光線 怎 麽 著

出現 了 強烈 的 紅移

所謂 紅移 就是 波長 被 拉長 了

我們 一般 有 一種 說法 叫做 紅移 系數

就是 你 這個 波長 被 拉長 了 幾倍

如果說 你 這個 紅移 系數 Z 它 是 10 倍 的話

波長 變成 原來 10 倍 了

這就 說明 你 這個 光線 應該 什 麽 時候 發出 來 的 呢

應該 是 在 宇宙 大 爆炸 之後 4.8 億年 左右

發出 來 的 光

那 如果 你 發現 一個 光線 已經 紅移 了 20 倍

那 麽 它 就 應該 大約 是 在 宇宙 大 爆炸 之後

2 億年 發出 的 光

你 這個 紅移量 越大

就 說明 你 這個 光線 是 在

更 接近 大 爆炸 的 時候 發出 來 的

那 麽 反過來說

如果 我們 想 看到 更 接近 大 爆炸 時 那個 光線

我們 就 應該 去 觀察 什 麽

觀察 紅移量 更 多 的 這個 光線

也就是說 我們 應該 觀察 紅外線

同時 人們 不光 對 宇宙 的 起源 感興趣

人們 還 對於 生命現象 很感興趣

所以 人們 還有 另外 一個 目的

說 我們 能 不能 研究 一下 行星 的 大氣 組成

因為 我們 研究 了 行星 的 大氣

發現 行星 大氣 裏邊 有氫 有氧 ||||has hydrogen|

那會 怎 麽 樣 呢

那 就 有 可能 會 出現 生命

所以 我們 還想 研究 一下 生命 的 起源

如果 我們 想 觀察 行星 大氣 或者 生命 起源

我們 怎 麽 觀察 呢

人們 想到 了 一個 辦法 那 就是 光譜分析

大概 的 意思 是 說

比如說 這裏 有 一顆 恒星 這裏 有 一顆 恒星

那 麽 恒星 會 發出 光線 發出 光線 之後

我們 可以 接收 到 進行 觀察

但 有 的 時候 這個 行星 它會 從 恒星 前面 過

這個 現象 我們 稱之為 行星 的 淩 日 現象

那 麽 當 行星 從 恒星 前面 過的 時候

光線 就 會 穿透 行星 的 大氣

而 穿透 了 行星 的 大氣 之後 會 怎 麽 樣 呢

有 一些 光線 就 會 被 大氣 中 的 物質 所 吸收

形成 了 一個 一個 的 暗線

所以 你 去 分析 光譜 的話

你 會 發現 這 光譜 它長 這個 樣子

它 到 這 然後 突然 之間 掉下來 一下

然後 再 往前 再 掉下來

再 往前 再 掉下來

這是 為 什 麽 呢

這是 因為 這些 元素 吸收 了 這個 相應 波長 的 光

所以 你 根據 這個 光 的 波長 的 這個 變化

你 就 可以 知道 這裏 邊有 什 麽 元素

所以 我們 說 如果 我們 能 分析 這個 光譜

就 能夠 知道 行星 大氣 的 組成 了

這 需要 什 麽

需要 一種 能夠 分光 的 元件 叫做 光譜儀

好 我們 大概 了解 了

我們 希望 用 望遠鏡 看什 麽 呢

第一 我們 想 看到 遙遠 的 宇宙

第二 我們 想 看到 古老 的 宇宙

第三 我們 想 研究 一下 行星 的 大氣

研究 一下 生命 的 起源

那 我們 需要 什 麽

第一個 我們 需要 一個 大 口徑 的 望遠鏡

這個 望遠鏡 最好 不在 地上 而是 在 天上

第二 我們 希望 這個 望遠鏡 能夠 觀察 到 紅外線

因為 我們 說 宇宙 大 爆炸 形成 之初 的

這個 光線 已經 被 紅移 了

同時 它 應該 有 比較 高分辨率 的 光譜儀

能夠 幫 我們 去 進行 分析 光譜

所以 人類 就 按照 這個 思路

做 了 一臺 又 一臺 的 望遠鏡

那 比較 著名 的

比如說 哈勃 望遠鏡 斯皮策 望遠鏡

以及 我們 現在 所說 的 韋伯 望遠鏡

好 下面 我們 就 來 談一談 望遠鏡

望遠鏡

那 說 到 空間 望遠鏡

我們 自然而然

第一個 肯定 是 想到 的 哈勃 空間 望遠鏡

哈勃 空間 望遠鏡

哈勃 空間 望遠鏡 是 以 著名 的 天文學家

愛德 溫 · 哈勃 的 名字 命名 的

哈勃 第一個 發現 了 離 我們 越遠 的 恒星

它發 的 光紅移 越 劇烈 ||Redshift||

所以 直接 得到 了 宇宙 在 膨脹 的 這 麽 一個 結論

最終 促成 了 大 爆炸 理論 的 誕生

所以 哈勃 非常 重要

那 麽 這個 哈勃 望遠鏡

它 其實 是 在 1946 年 的 時候

就 已經 開始 設計 了

然後 一直 到 1990 年 的 時候 才 發射 升空

到 目前 為止 已經 工作 了 30 多年 的 時間

而且 產生 了 豐碩 的 成果

那 麽 哈勃 望遠鏡

它 首先 是 在 一個 地球 軌道 上 運動 的 望遠鏡

它 在 地球 軌道 上 運動 那 也就是說 圍著 地球 轉

它 大概 的 高度 是 570 千米

高度 是 570 千米

所以 它 每過 一段時間 就會轉 地球 一圈

同時 它 的 尺寸 直徑 大約 是 2.4 米