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美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将在2021年搭乘阿丽亚娜5型重型运载火箭发射升空,进入距地球大约160万公里的绕日轨迹。这架望远镜的反射镜直径到达6.5米,将成为有史以来被送入太空的最大望远镜。韦伯可以对世界进行红外观测,捕捉最悠远的恒星和星系印象。在这架望远镜的协助下,科学家将进一步窥视世界的隐秘。

詹姆斯·韦伯望远镜艺术概念图,哈勃太空望远镜的接班人

詹姆斯•韦伯太空望远镜的一大任务是观测世界的第一批星系,协助科学家了解这些星系的构成以及与暗物质之间的联系。世界中的绝大多数物质都是不行见的(即暗物质),但其引力将包含星系在内的世界万物粘合在一起。经过研讨这些星系,尤其是它们的构成,科学家可以取得重要头绪,进一步提醒暗物质的工作机制。

天文学研讨要比咱们以为的杂乱的多。在观测悠远星系时,科学家面对一系列应战,其间一大应战是怎么穿透厚厚的尘云,以便看到它们的庐山真面目。不论你喜爱与否,尘云就在那里。幸亏的是,经过一些奇妙的模仿,科学家开端刺透尘云,复原星系的本来面目。

年青恒星V1331 Cyg,终究将发育成与太阳相似的老练恒星

世界诞生后几亿年,第一批星系开端构成。但迄今为止,咱们尚无法取得这些星系的直接印象。原因很简略:它们距地球过分悠远,假如没有一架巨型望远镜,咱们无法捕获它们的光线,也就无缘得见它们的真面目。由于间隔太远再加上世界一向处于胀大状况,第一批星系的光线不再是可见光,而是红移到红外光谱。假如想对这些婴儿星系进行观测,咱们需求一架大型红外望远镜。这也便是为什么科学家要研发詹姆斯·韦伯望远镜。

韦伯望远镜并不是一台丈量仪器,不会对大到不行思议的世界区域进行测绘。不过,这架望远镜可以为咱们描绘130亿年前的世界肖像,尤其是那些悠远的前期星系的长相。星系的结构和构成取决于暗物质。无论是暗物质的数量、构成仍是集合方法,都会影响星系的构成。暗物质的特性影响星系的数量、亮度,甚至会影响星系会孕育出怎样的恒星。不过,暗物质的特性仍是一个未知数。

2017年12月1日,德州休斯敦的约翰逊航天中心,美国宇航局的工程师与詹姆斯•韦伯太空望远镜合影留念

现在,科学家只能经过模仿去了解星系与暗物质之间的联系。这是由于咱们尚没有许多直接的暗物质观测手法。就像姓名暗示的那样,咱们没有彻底清楚暗物质的构成。有时分,咱们只能猜想,将这些猜想加入到世界演化的电脑模型,以便了解恒星、气体和尘土等正常物质怎么呼应暗物质的影响并终究构成星系。

经过将韦伯望远镜观测到的星系印象和统计数据与一系列电脑模仿进行比较,咱们可以确认哪些状况最为匹配,然后找到精确度最高的暗物质模型。在此基础上,咱们可以进一步了解世界,包含寻觅引力的奇特模型和取得暗物质奥秘特性的头绪。

2018年3月8日,加州雷东多滩的诺斯罗普•格鲁曼公司,工作人员从特制的STTARS货箱运走韦伯望远镜的光学部件和科学仪器

听起来简略直接,但现实并非如此。观测世界是一个极为杂乱且难度极高的应战,由于世界不只存在恒星、星系和暗物质,一起还存在许多搅扰要素。世界中存在许多尘土或者说尘云。世界尘土由碳、氧和其它物质构成,在星系内、星系周围和星系之间不断旋转。换言之,星系际空间是一个十分紊乱的地点,许多尘土的存在会打乱光线。

在穿行数十亿光年的间隔,终究抵达韦伯望远镜过程中,悠远星系的光线会与许多尘土发作交互。光线会由于尘土的存在发作散射,强度削弱,一起还会发作红移。换句话说,假如咱们想窥视这些年青星系的容貌,咱们就不得不与一层“薄雾”打交道。只需有尘云存在,咱们就永久无法获取前期世界的直接印象。

2016年10月14日,工程师和技术人员成功完结主镜的第一个重要测验——曲率中心测验。完结光学测验后,“韦伯”还要承受一系列严厉的机械测验

不过,科学家还可以凭借模仿,研讨前期世界和第一批星系。虽然是模仿,但运用的却是实在数据。这些数据并非来自于前期世界(由于咱们没有获取前期世界的数据),而是来自邻近的世界区域。对咱们所在的部分世界星系间尘土的特性,科学家现已进行了适当翔实的测绘、观测和研讨。这些数据随后输入到前期世界的电脑模仿,以尽或许精确猜想韦伯望远镜或许看到的现象。这就像咱们收集周围薄雾的样本,然后使用样本剖析得出的数据估测一座悠远灯塔的容貌。

2017年3月5日,戈达德太空飞行中心的航天器系统开发与集成设备,技术人员封闭无尘室的电灯,使用高亮手电和特别紫外灯检查韦伯望远镜,以确认是否遭到污染

最近,一支研讨小组发布了一组名为IllustrisTNG的模仿成果。正如姓名暗示的那样,这些模仿极端杂乱,不只触及暗物质和星系构成,一起还模仿星系放射的光线穿过数十亿光年的尘土,然后进入韦伯等观测设备的视界。

IllustrisTNG模仿的首要方针是猜想韦伯望远镜或许看到的现象。具体地说,便是在天文学家所说的星系光度函数的观测中,韦伯望远镜可以得出怎样的发现。经过研讨星系光度函数,科学家可以估测每个亮度等级的星系数量,即多少亮堂星系?多少中等亮度星系和多少昏暗星系?暗物质特性会影响星系光度函数。例如,假如暗物质成块散布,咱们的世界将存在更多亮堂星系,然后改动光度函数。

IllustrisTNG模仿项目的组成图画。左边的刺进图展现了星系之间的交互以及恒星光晕的细微结构。右侧刺进图展现了两个大质量中心星系的恒星光线。很明显,大质量星系的光线“吞没”恒星光晕的光线

但光度函数自身也会遭到尘土影响,由于尘土改动了一切星系宣布的光线。这些模仿是科学家初次测验描绘端对端图景,猜想韦伯望远镜或许看到的现象或者说有关暗物质和星系构成的潜在观测发现。

IllustrisTNG仅仅一个开端。这些模仿触及许多立根据现有观测数据的猜想和想象。比及韦伯望远镜真实执役,科学家将获取更多数据,然后进行更深化的研讨和模仿,进一步窥视世界的隐秘。

来历:散步世界

修改:Quanta Yuan

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