在过去的六个月里，我们地球人通过詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 看到了一些令人敬畏的图像。自望远镜于 2022 年 7 月向公众公布第一张图像以来，JWST 已捕捉到古老星系、闪烁星云和遥远系外行星的图像。
显然，这些照片并非普通相机所能及——每一张都是一系列令人印象深刻的仪器和技术的成果，这些仪器和技术经过精密调校，为我们带来了如同计算机生成图像般令人惊叹的宇宙景象。
詹姆斯·韦伯太空望远镜如何工作
这一切都始于遥远天体的光线照射到望远镜 21 英尺宽的镀金镜面上，镜面由 18 个六边形段组成。这样划分使得 NASA 科学家更容易将 JWST 送入轨道，但它们需要以惊人的精度进行校准，才能作为一个巨大的镜面协同工作并保持清晰的焦点。
这种校准是通过“波前传感”实现的，工程师必须每隔几周重复一次重新对准过程，以确保各个镜面段的偏移量不超过零点几纳米。
用 NASA 戈达德太空飞行中心光学望远镜元件经理 Lee Feinberg 的话说，“每个镜面都校准到了人类头发厚度的万分之一。”
与它著名的前身哈勃太空望远镜不同，韦伯看到的不是我们能看到的相同光线。作为一个红外望远镜，它看到的是比可见光波长更长的波长，这使其非常适合观测遥远的星系。这是因为宇宙在不断膨胀，随着星系远离我们，它们的光会变得越来越红，最终对人眼——以及哈勃——来说变得不可见。但 JWST 正是在这个盲点中茁壮成长。
哈勃深场（Hubble Deep Fields）是过去二十年拍摄的一系列曝光图像，它们比以往任何望远镜都更深入地穿透宇宙，揭示了令人惊叹的广阔深空。
JWST 拍摄的这张图像——这是它的第一张全彩图像——显示了 46 亿年前的星系团 SMACS 0723。SMACS 0723 引力透镜化了其后方许多其他星系，提供了有史以来在红外波段观测到的最深邃、最清晰的遥远宇宙图像。（来源：NASA/ESA/CSA/STScI）
NASA/ESA/CSA/STScI
然而，亚利桑那大学天文学教授 Marcia Rieke 说，“它表明有许多遥远的星系，而哈勃看不到最远的那些。”但韦伯已经产生了自己的深场图像，捕捉到的星系比其前代产品更暗淡。
JWST 检测一系列波长
Rieke 也是开发 JWST 的 NASA 团队成员。具体来说，她是望远镜上四种科学仪器之一的近红外相机（NIRCam）的首席研究员。它与另一台相机，中红外仪器（MIRI）协同工作。两者结合起来，可以探测到广泛的波长，使天文学家能够观测从新生恒星到彗星和原行星盘的一切。
近红外相机（NIRCam）于 2014 年 3 月安装到 JWST 上。（来源：ASA/Chris Gunn）
ASA/Chris Gunn
每台相机都有一组针对红外光谱特定区域量身定制的滤光片（NIRCam 有 29 个，MIRI 有 10 个）。大多数图像都是多个滤光片的合成。它们通常也涉及多次曝光——在一个称为“抖动”（dithering）的过程中，望远镜的框架在每次曝光后会略微移动，以抵消宇宙射线撞击和其他问题造成的破坏性影响。
Rieke 说，这样，“如果有一个坏像素，它就会被好的像素信息填补。”然后可以将单独的图像对齐并合成为一张清晰的照片。
望远镜的视场是固定的，因此要描绘大片天空，它必须一次只覆盖一个小区域。Rieke 说，对于一项广泛的天空调查，她将使用九个滤光片，每个滤光片拍摄九次曝光，覆盖几十个帧。这意味着一个帧需要 81 次曝光，整个合成图像大约需要 7,000 次。再说一遍，这不是你的普通傻瓜相机。
曝光时间
天文学家还必须决定曝光时间。一眼望去，行星、恒星、星系和其他天体之间的亮度差异巨大，因此韦伯必须足够通用以适应所有这些天体。例如，NIRCam 的曝光时间从千分之几秒到大约 23 分钟不等。太空望远镜科学研究所甚至提供了一个在线曝光计算器，以帮助用户估算最佳结果。
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一个特殊的挑战是观测位于明亮天体附近的暗淡天体，例如一颗系外行星靠近一颗明亮的恒星。在这些情况下，NIRCam 配备了一个日冕仪，它本质上是一块带有黑点的玻璃板，用于遮挡不需要的光线。
Rieke 说：“你消除了恒星本身的光芒，这样你就能更好地研究它周围的环境。这就像把你的拇指举起来挡住太阳一样。”
红外成像的另一个优点是，较长的波长可以穿透许多星系中弥漫的细小尘埃，从而更深入地观测太空。但 JWST 迄今为止一些最令人惊叹的照片是以尘埃为主题的。卡琳娜星云宇宙悬崖的梦幻般的图像展示了以前看不见的恒星育儿所——细小颗粒的缕缕和柱状物，正在收缩形成新的恒星。
宇宙悬崖以精美的细节展示了正在形成恒星的卡琳娜星云，揭示了新生恒星及其对其环境的动态影响。（来源：NASA、ESA、CSA 和 STScI）
NASA、ESA、CSA 和 STScI
一些韦伯图像中出现了一些看似扭曲的星弧，这是你在标准天文摄影中看到的类型。实际上，这与 NIRCam 和 MIRI 的工作方式无关。它们是引力透镜的结果：当一个星系的引力足够强时，它可以扭曲和放大其后方更遥远天体的光线，将它们投射在其周围，使其进入视野。
由于人眼无法看到红外光，JWST 的照片严格来说并不能显示我们亲身体验到的宇宙。NASA 的制作团队必须进行调整，本质上是将波长数据转换为可见光。但这并不意味着它们是虚假的，而且这是我们能够窥视宇宙中这些otherwise hidden corners 的唯一方式。
Rieke 说：“人们惊叹不已的图像，是我们称之为假彩色图像的。从这个意义上说，它们是虚假的，但形状和事物本身是非常真实的。”
