經(jīng)過一段時間的延遲，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（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節(jié)展示了宇宙，這在很大程度上是由該望遠鏡的尖端設計和紅外傳感器共同實現(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·韋伯太空望遠鏡拍攝的第一幅全彩圖像，也是迄今為止遙遠宇宙中最深、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·韋伯空間望遠鏡全尺寸模型（來源：NASA）

韋伯項目已經(jīng)進行了幾十年，工程師們已經(jīng)解決了許多獨特和極端的挑戰(zhàn)，使太空中最大的望遠鏡能夠運行。

從熱控制系統(tǒng)到光學和探測器，以及其他許多領域的創(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則，這意味著它的圖像確實是超乎尋常的：

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

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

它使用尖端的紅外和近紅外傳感技術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的太空的一個主要原因。

當星系離我們極其遙遠時，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。

這是因為到達地球的光在穿越時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“宇宙學紅移”，它在上個世紀的發(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H2RG探測器都有大約400萬像素；每個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）的比例進行調(diào)整，使其對不同波長的光敏感。

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

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)，由薄半導體吸收層、將吸收層中的每個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。

韋伯望遠鏡拍攝的第一批圖像標志著天文學新紀元的到來。隨著太空望遠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候都更加深遠。

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審核編輯 黃昊宇