全球快资讯:打开天文数据的“闸门”,韦伯太空望远镜每天收集超50GB数据


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娜塔莉·巴塔利亚()一直希望通过詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)获得数据。终于,在望远镜到达最终轨道几个月后,她在美国加州大学圣克鲁兹分校的团队获准观察少数系外行星——这些围绕太阳以外的恒星运行的行星。
图 | 2011 年,望远镜的主镜部分准备进行低温测试。全镜由镀金铍制成,由 18 个部分组成,跨度为 6.5 米。它被设计成折叠形式以便发射(NASA/MSFC/DAVID HIGGINBOTHAM)
观测的目标之一是 WASP-39b,这个灼热的星球围绕着一颗距离地球约 700 光年的恒星运行。这颗行星是几年前发现的。但在 2022 年 7 月中旬,当巴塔利亚和她的团队首次使用詹姆斯·韦伯太空望远镜对遥远世界进行观测时,他们看到了一种气体的明显特征,这种气体在地球上很常见,但以前从未在系外行星的大气层中发现过:二氧化碳。
在地球上,二氧化碳是植物和动物生命的关键指标。WASP-39b 绕其恒星运行仅有四个地球日,温度太高,不适合人类居住。但这一发现很可能预示着未来会有更多令人兴奋的发现,来自更温暖的世界。要知道,詹姆斯·韦伯太空望远镜刚正式投入使用几天。
“这是一个非常激动人心的时刻,”巴塔利亚说,她的团队第一次聚集在一起查看数据,“我们一看,二氧化碳的特征就被精美地描绘出来了。”
这并非偶然。詹姆斯·韦伯太空望远镜是美国航空航天局(NASA,National Aeronautics and Space Administration)牵头的,由美国、加拿大和欧洲之间的合作项目,是历史上最强大的太空望远镜,可以看到比哈勃太空望远镜所能看到的暗 100 倍的物体。
它于 2022 年 7 月开始正式投入运行,此后我们看到乐来自宇宙各处的、令人难以置信的壮丽景色,从诞生之初的遥远星系图像到星云的惊人景观。丹麦哥本哈根大学的天文学家加布里埃尔 ·布拉默()说:“它的强大符合、甚至超出我们的预期。”
但詹姆斯·韦伯太空望远镜不断发现新东西的速度不仅仅在于其内在能力。天文学家为它的观测准备了多年,开发了可以快速将其数据转化为可用信息的算法。大部分数据都是开放获取的,这使得天文学界在收到数据时就能开始整理。它的操作员还吸取了哈勃望远镜的经验教训,尽可能多地安排了观测计划。
对于一些人来说,海量的不同寻常的数据令人惊讶。“这超出了我们的预期,”美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜跨学科科学家海蒂·哈梅尔()表示,“一旦我们进入运营模式,它就是一刻不停的。每个小时我们都在观察一个星系、一颗系外行星或恒星的形成,源源不断地传回数据。”
几个月后的今天,詹姆斯·韦伯太空望远镜仍持续向地球上发送大量数据,它有望改变我们对遥远宇宙、系外行星、行星形成、银河结构等天文学现象的理解。并非所有人都喜欢这种快速的节奏,因为它反应出速度比科学进展更重要,但毫无疑问这台望远镜正在以惊人的速度吸引全球的目光。天文数据的“闸门”已经打开,而且不会很快关闭。
(来源:资料图)
打开数据的“闸门”
詹姆斯·韦伯太空望远镜围绕距离地球 150 万公里的稳定点绕太阳运行。它巨大的镀金主镜有长颈鹿那么高,由网球场大小的遮阳罩保护免受太阳的强光照射,使人们能够在红外光下看到前所未有的宇宙景象。
这台望远镜最初构思于 20 世纪 80 年代,曾计划于 2007 年左右发射,耗资 10 亿美元。但它的复杂度导致了大量的延误,不断吞噬着资金,甚至一度被称为“吞噬天文学的望远镜”。当詹姆斯·韦伯太空望远镜最终在 2021 年 12 月发射时,其成本已激增至近 100 亿美元。
即使在发射后,人们也不能完全安心。望远镜需要一个月的时间才能到达月球轨道之外的目标位置,需要数百个活动部件来部署其各种组件,包括巨大的遮阳罩,这是让红外线敏感仪器保持冷却所必需的。
但到目前为止,延误、预算超支和大部分焦虑都已得到解决。詹姆斯·韦伯太空望远镜正在努力工作,其观测活动安排由位于美国巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI,Space Telescope Science Institute)精心编排。每周都会有一个团队使用望远镜执行观测计划,目前从 2022 年 7 月到 2023 年 6 月,已有数百个获得批准的科学项目正在排队。
“我们的目标是让望远镜尽可能地物尽其用,(而)我们做的最糟糕的事情就是让望远镜闲置在那儿,”STScI 的戴夫·阿德勒(Dave Adler)说,他是该望远镜的长期规划负责人,“这可不是便宜的东西。”
在 1990 年代,如果观测计划被更改或取消,哈勃望远镜偶尔会飘在太空中无所事事,而詹姆斯·韦伯太空望远镜的时间表被故意超额排期,以防止出现此类问题。望远镜的机载推进器和反作用轮不断旋转以改变方向,在宇宙中的各个目标之间精确移动望远镜。“我们的目标始终是,尽量减少它的闲置时间,”阿德勒说。
这种紧凑的时间表带来的结果是,詹姆斯·韦伯太空望远镜每天可以收集超过 50GB 的数据,而哈勃望远镜之前只能收集 1 - 2 GB 的数据。这些包含图像和光谱特征的数据会被放入 STScI 运行的算法中。它又被称为“管道(pipeline)”,负责将望远镜的原始图像和数字转化为有用的信息。
其中一些会立即在公共服务器上发布,科学家、还有 JWST Photo Bot 等推特机器人都会从中捕获信息。还有的数据会通过特定程序交给相应的科学家,使他们能够在向大众公布数据之前花时间分析他们自己的数据。
图 | Stephan"s Quintet 星系群,数据来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的两个红外仪器。最左边的星系似乎是该星系群的一部分,但距离地球更近(来源:NASA、ESA、CSA、STSCI)
“管道”本质上是一段代码,由 Python 等语言编写而成。它们长期以来一直被用于天文学,但在 2004 年天文学家使用哈勃望远镜花费 100 万秒观察一片空旷的宇宙后,它们取得了长足的进步。当时的目标是在遥远的宇宙中寻找遥远的星系,但要进行 800 次曝光,因此哈勃团队深知手工完成这项任务实在太过艰巨。
于是,他们开发了一条“管道”将曝光转化为可用图像,这是一项艰巨的技术挑战,因为每张图像都需要各自校准和对齐。STScI 的研究天文学家安东·科克莫尔()说:“你不可能指望当时的科学社区自行组合并完成 800 次曝光。我们的目标是让科学研究能够更快地完成。”这些努力产生了令人难以置信的图像,揭示了 10000 个横跨宇宙的星系,这些星系后来被称为哈勃超深空(Hubble Ultra Deep Field)。
借助詹姆斯·韦伯太空望远镜,由 STScI 开发的“主管道”从其所有仪器中获取图像和数据,并使它们为科学做好准备。许多天文学家无论是业余的还是专业的,使用他们在发射前数月和数年开发的“子管道”来进一步研究数据。
这就是为什么当望远镜的数据开始向地球传输时,天文学家几乎可以立即了解他们所看到的东西,通常需要数月的分析时间变成了仅需数小时的处理时间。
“我们只需要坐在那里,”布拉默说,“突然之间,‘管道’打开了,数据开始传输,我们也准备好了。”
无处不在的星系
哈勃太空望远镜距离地球表面仅几百英里,甚至宇航员都可以访问。多年来,NASA 确实派了宇航员过去,执行了一系列维修和升级望远镜的任务,首先是修复其畸形的镜面——这是 1990 年发射后不久发现的一个问题。而詹姆斯·韦伯望远镜离地球的距离比月球更远,轻易不会有人造访。
许多人期待着詹姆斯·韦伯望远镜的正式交付,包括 NASA 戈达德太空飞行中心的光学望远镜元件经理李·范博格()。“我们花了 20 年时间模拟望远镜的对准,”他说。这样是为了确保它能够准确地指向天空中的目标。
2022 年 3 月,詹姆斯·韦伯望远镜终于到达了月球之外的目标位置,范博格和他的同事们终于准备好开始拍摄测试图像。一天早上,当他走进 STScI 时,屏幕上出现了其中一张测试图像,是一颗恒星。它包含了一个大惊喜。“那里包含了数百个星系,”范博格说,“我们惊呆了。”
这张照片是如此详细,它揭示了延伸到遥远宇宙的星系,尽管它并不是为了这样的目的而拍摄的。“每个人都不敢相信它展现出来的效果,”他说。
在进一步测试和校准仪器以使望远镜启动和运行之后,它执行了一项早期任务,使用低温冷却的中红外仪器(MIRI,Mid-Infrared Instrument)观察 WASP-39b。这是一个搭载在望远镜上的工具,它用红外线进行最深入的观察,可以很容易地检测到行星大气的许多特征。MIRI 的光谱仪使科学家能够从 WASP-39b 的大气层中分辨出光线。
观察团队没有人工分析观测结果,而是使用了一个名为 Eureka! 的“管道”,该“管道”由加州湾区环境研究所的天文学家泰勒·贝尔()开发。“目标是从原始数据中提取关于大气光谱的信息,”贝尔说。
像这样分析来自系外行星的信息通常需要数月的工作,但在“管道”的帮助下,拿到观察结果的几个小时内,二氧化碳的特征就跃然纸上。此后,有关这颗行星的许多其他细节也被公布出来,包括对其成分的详细分析和斑块云的存在。
其他人则将“管道”用于更遥远的目标。2022 年 7 月,在研究来自詹姆斯·韦伯望远镜的早期图像时,由麻省理工学院洛汗·奈度(Rohan Naidu)领导的团队发现了 GLASS-z13,这是一个遥远的星系,它的光可以追溯到宇宙大爆炸后仅 3 亿年——比之前已知的任何星系都要早。这一发现引起了全球的轰动,因为它表明星系的形成时间可能比之前预期的要早,可能早了几亿年——这意味着我们的宇宙形成的速度比之前认为的要快。
奈度的发现是由 EAZY 实现的,EAZY 也是一种“管道”,用于在某种程度上粗略地分析望远镜图像中的星系光。它使用这些成像观察来估算与物体的距离,该工具开源在 GitHub 上供任何人使用。
高峰时间
一般来说在科学领域,研究人员会将一篇科学论文提交给期刊,然后由该领域的同行评审,最终得到一个批准发表或拒绝发表的结果。整个过程可能需要数月甚至数年,有时还会延迟发表——但始终秉承科学的准确性和严谨性。
但是,有一些方法可以绕过此过程。一种流行的方法是,在同行评审之前,在 arXiv 之类的预印本网站上发布论文的早期版本。这意味着研究可以在正式发表之前被阅读或公开。在某些情况下,一些研究可能从未提交给期刊,而是仅保留在 arXiv 上,并由科学家在推特和其他论坛上公开讨论。
当科学家们热衷于快速公开新发现时,在 arXiv 上发表文章很受欢迎,有时甚至有意在有竞争关系的论文发表之前。就詹姆斯·韦伯望远镜而言,在第一年里有大约 20% 的项目是开放获取的,这意味着数据在传输到地球后会立即公开发布。
也意味着提出该计划的研究团队将立即与监控数据流的其他人竞争。当望远镜的数据流在 2022 年 7 月打开时,许多研究人员转向 arXiv 来发布早期结果——无论好坏。
意大利罗马天文台的天文学家埃米利亚诺·梅林(Emiliano Merlin)说:“人们急于尽快发表任何东西。”
他参与了早期的望远镜数据分析工作,例如在宇宙大爆炸后寻找遥远宇宙中的星系。在确认其光的年龄之前,有关 GLASS-z13 和其他十几个候选星系的发现就已经被发表了。“这不是我个人真正喜欢的东西,”梅林说,“当你处理这种新事物和未知事物时,应该检查 10 或 100 次。事情不是这样做的。”
一个担忧是望远镜的早期校准问题可能会导致错误。但到目前为止,许多早期结果经得起推敲。后续观测证实 GLASS-z13 是一个破纪录的早期星系,尽管它的年龄略有降低,导致该星系更名为 GLASS-z12。
当然,我们也有可能发现比 GLASS-z12 更早形成的星系,这表明我们很可能需要重新思考我们对宇宙结构的理解,甚至可能暗示存在一个更激进的早期宇宙模型。
图 | 望远镜上的近红外相机在 2022 年 7 月拍摄了这张海王星的快照。研究人员表示,这是自 1989 年旅行者 2 号飞越这颗巨大行星环以来最清晰的一次观测(来源:NASA、ESA、CSA、STSCI)
虽然望远镜的许多项目会立即公开发布数据,有时会导致人们疯狂地提前发布结果,但其中约 80% 的项目都有专有期限,允许提出这些项目的研究人员在 12 个月内独家访问他们的数据。这使得科学家,尤其是缺乏大型机构资源的小团体,能够在向公众发布数据之前更仔细地审查他们自己的数据。
图 | 这张恒星图像是在望远镜进行光学校准测试期间拍摄的,但它顺便展示了望远镜的灵敏度,背景中出现了许多星系(来源:NASA/STSCI)
欧洲航天局科学与探索高级顾问马克·麦考林(Mark McCaughrean)说:“独家访问时间可以平衡资源。如果你拿走这些专有时间,你就相当于把它交到大团队的手里。”
然而,许多科学家并不会用到 12 个月,这意味着他们只会增加望远镜源源不断的新发现。除了正在进行的开放获取观测之外,还会有越来越多的专有结果向公众发布。
“现在数据的“闸门”已经打开,我们将在未来 10 年及以后不断看到论文,”哈梅尔说。也许远不止于此——詹姆斯·韦伯太空望远镜可能有超过 20 年的寿命,允许其运行持续到 2040 年代。
“我们正在打开一扇了解宇宙的全新窗口,”哈梅尔说,“对于人类这个物种来说,我们正处在一个激动人心的时间点上。”
支持:Ren
原文:
https://www.technologyreview.com/2023/01/21/1065178/james-webb-space-telescope-universe/

关键词: 韦伯太空望远镜 天文学家 研究人员

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