經(jīng)過一段時(shí)間的延遲，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, JWST）終于在2022年7月將深空圖像傳回地球。這些照片以前所未有的細(xì)節(jié)展示了宇宙，這在很大程度上是由該望遠(yuǎn)鏡的尖端設(shè)計(jì)和紅外傳感器共同實(shí)現(xiàn)的結(jié)果。

車輪星系（來源：NASA, ESA, CSA, STScI）

在一場全球收看的新聞發(fā)布會上，美國總統(tǒng)喬·拜登（Joe Biden）展示了韋伯的首批照片，揭示了一些我們迄今為止所見過的最遙遠(yuǎn)和最微弱的物體。

美國國家航空航天局（NASA）局長Bill Nelson說：“韋伯的第一幅深空圖像不僅是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一幅全彩圖像，也是迄今為止遙遠(yuǎn)宇宙中最深、最清晰的紅外圖像。這張圖片包含了一片天空，但它只是浩瀚宇宙中的極其渺小的一部分，就像一臂遠(yuǎn)的指尖上的一粒沙子?！?/p>

這一成就是全球合作的結(jié)果，歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）與NASA合作，將韋伯送至地球大氣層之外。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡全尺寸模型（來源：NASA）

韋伯項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，工程師們已經(jīng)解決了許多獨(dú)特和極端的挑戰(zhàn)，使太空中最大的望遠(yuǎn)鏡能夠運(yùn)行。

從熱控制系統(tǒng)到光學(xué)和探測器，以及其他許多領(lǐng)域的創(chuàng)新都集成在JWST上，它們是NASA目前發(fā)出的迷人圖像的原因。

這些創(chuàng)新使韋伯能夠符合許多準(zhǔn)則，這意味著它的圖像確實(shí)是超乎尋常的：

它離地球很遠(yuǎn)；它不在地球軌道上，而是在太陽的軌道上，緊跟著地球以維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路。

它是太空中最大的望遠(yuǎn)鏡；它的碟狀物必須折疊起來才能發(fā)射，然后一旦進(jìn)入太空，望遠(yuǎn)鏡就會自動組裝。

它使用尖端的紅外和近紅外傳感技術(shù)來探測我們所見過的最微弱的物體。

為什么韋伯使用紅外？

韋伯使用范圍廣泛的紅外光，這是它能夠看到如此遙遠(yuǎn)的太空的一個(gè)主要原因。

當(dāng)星系離我們極其遙遠(yuǎn)時(shí)，我們再也無法用它們最初發(fā)出的全部電磁輻射來探測它們。

這是因?yàn)榈竭_(dá)地球的光在穿越時(shí)間和空間的過程中被“拉伸”了。不斷膨脹的宇宙使波長變長，使光向更紅的頻率方向移動。

這被稱為“宇宙學(xué)紅移”，它在上個(gè)世紀(jì)的發(fā)現(xiàn)為宇宙膨脹提供了證據(jù)。

韋伯探測到的紅外波長范圍很廣，這意味著它能夠看到最遙遠(yuǎn)的星系——那些光線向紅色和紅外方向移動最多的星系。

太空中的紅外傳感器

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡上有兩種不同的探測器。碲鎘汞（HgCdTe）或H2RG探測器探測近紅外波長（0.6-5.0μm）的能量，而摻砷硅（Si:As）探測器捕捉中紅外波長（5.0-28.0μm）。

望遠(yuǎn)鏡中的近紅外H2RG探測器由美國加利福尼亞的Teledyne Imaging Sensors公司制造。中紅外探測器由另一家加利福尼亞公司Raytheon Vision Systems制造。

每個(gè)H2RG探測器都有大約400萬像素；每個(gè)中紅外探測器都有大約100萬像素。

在太空中，韋伯的巨型反射鏡收集光線并將其引導(dǎo)至傳感器。濾光片首先將光分散成光譜，然后將其聚焦到檢測器上。每個(gè)儀器都帶有自己的探測器，可以吸收光子并將其轉(zhuǎn)換為可測量的電子信號。

探測器需要極其靈敏才能探測到來自最遙遠(yuǎn)星系的微弱光線，還需要大面積陣列以高效地觀測天空。與已經(jīng)生產(chǎn)的其他紅外傳感器陣列相比，韋伯陣列具有更小的噪聲、更大的尺寸和更高的耐用性。

H2RG探測器中的HgCdTe材料通過改變混合物中汞（Hg）和鎘（Cd）的比例進(jìn)行調(diào)整，使其對不同波長的光敏感。

在韋伯上，探測器應(yīng)用了兩種HgCdTe成分，每個(gè)近紅外傳感器都經(jīng)過校準(zhǔn)，使其在兩組波長（0.6μm-2.5μm和0.6μm-5.0μm）上運(yùn)行。

韋伯上的每種類型的紅外探測器都有類似的三明治結(jié)構(gòu)，由薄半導(dǎo)體吸收層、將吸收層中的每個(gè)像素連接到讀出集成電路（ROIC）的銦（In）層和硅（Si）讀出集成電路組成。

韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的第一批圖像標(biāo)志著天文學(xué)新紀(jì)元的到來。隨著太空望遠(yuǎn)鏡中的紅外傳感器在夜空中不斷發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)，我們對宇宙的理解將比以往任何時(shí)候都更加深遠(yuǎn)。

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審核編輯 黃昊宇