每日科普|詹姆斯·韦布空间望远镜厉害在哪?

每日科普 詹姆斯·韦布空间望远镜厉害在哪?

韦布空间望远镜发射资料图(来源:NASA)

经过多年推迟后,美国东部时间2021年12月25日7时20分(北京时间2021年12月25日20时20分),备受全世界天文学领域关注的詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)终于从位于南美洲的法属圭亚那航天发射基地发射升空。

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韦布空间望远镜研发资料图(来源:NASA)

建造历时20余年,耗资达100亿美元,韦布空间望远镜由NASA、欧空局、加拿大航天中心合作打造。部署成功后,它将成为世界上最大、也是最强的太空天文望远镜,有望找到宇宙中最早形成的星系。

何以堪称“最大”“最强”?记者采访了天文学家、中国科学院国家天文台研究员苟利军。

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苟利军

主镜直径长达6.5米

遮阳板大如网球场

千百年来,当人类仰望星空时,总是好奇于茫茫宇宙从何而来。自20世纪60年代以来,人类先后发射了一系列太空望远镜寻找答案。

相较于“同侪”,韦布空间望远镜是个不折不扣的“大家伙”。

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韦布空间望远镜结构示意图(来源:NASA)

“大”在于体形,与常见的望远镜不同,它的光学主镜面由18片六边形镜片组成,直径长达6.5米,完全舒展后,主镜犹如一朵盛放的金色向日葵,是有史以来送入太空最大的天文空间望远镜。

“大”有何所用?“望远镜面积越大,它收集光线的能力就越强,可以看得更远。与此同时,望远镜直径越大,它的分辨率越高,能看得更清晰。”苟利军解释,相较于目前最大的空间望远镜——哈勃望远镜,韦布空间望远镜的分辨率提升了近3倍。

由于体形巨大,韦布空间望远镜不得不以折叠状态发射升空。同时,在精密性方面,18块六角反射镜背面,还安装了7个马达,能在10纳米精度范围内调整镜片形状和方向。

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韦布空间望远镜的遮阳板资料图(来源:NASA)

韦布空间望远镜的主镜下方,有一个5层的可展开遮阳板。它的面积约为300平方米,足有一个网球场那么大。每一层遮阳板都由独特的复合材料制成,有特定的厚度和尺寸,能有效隔绝太阳、地球和航天器总线电子设备的热量。

“这可以让韦布空间望远镜保持极低温度,避免它们产生太大的背景噪声,影响天文观测。”苟利军说。

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由于体形较大,韦布空间望远镜只能折叠起来发射。(来源:NASA)

“看见”遥远星光

寻找宇宙起源的答案

观测遥远恒星发出的光线,有望揭秘宇宙结构和起源的奥秘。

作为哈勃望远镜的“继任者”,设计之初,韦布空间望远镜就致力于捕捉135亿年前,宇宙大爆炸后形成的第一批星系发出的光亮。

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浩瀚宇宙资料图(来源:NASA)

苟利军介绍,由于宇宙不断膨胀,这批星系正在远离地球,而多普勒效应也开始发挥作用。就像救护车经过并开始远离你时,其鸣笛的音调会下移并变得更低,来自遥远星系的光的波长也会从可见光,下移到红外光。

接收红外信号正是韦布空间望远镜的拿手好戏。它的主镜仿佛一个太阳能集中器,能使光线聚集在一点。感知到微弱的红外线辐射后,韦布空间望远镜上搭载的科学仪器就会纷纷开始工作。

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韦布空间望远镜结构示意图(来源:NASA)

首先是近红外摄像机,它如同望远镜的“眼睛”,能捕捉到第一批恒星和星系的光,并创建暗物质地图。其次是近红外光谱仪,它将对红外线所携带的物理、化学信息进行分析,检测其中的物质成分含量,如水、空气。再者是精确引导传感器,它能帮助韦布空间望远镜调整观测姿态,获取更高质量的红外线图像。最后,所有科学数据将通过地球指向天线传回地球。

韦布空间望远镜的发射受到全世界天文学界的关注,许多天文学家期待,它能带给人类新的发现,“我也很期待它能在观测遥远的早期宇宙方面取得进展。”苟利军说。

发射推迟14年

为何成为“鸽王”?

韦布空间望远镜项目从1996年开始提出,美国宇航局向全国招标,发起这一极端精密的新式空间望远镜计划。研究人员曾预计,该望远镜将于2007年发射,然而因为各种原因不断推迟。

至2021年12月,韦布空间望远镜的发射比原计划日期推迟了14年左右,因此被冠上“鸽王”称号。

而最近的一次推迟,是因为近期在装载进运载火箭时,由于操作人员失误,在没有夹紧卡箍的时候移动了望远镜,导致望远镜遭受了异常震动,不得不推迟发射。

“天文望远镜体积巨大,结构复杂,对精度要求也高。韦布空间望远镜的轨道在距离地球150万公里外的第二拉格朗日点(L2),这意味着一旦发射,如果出现问题,将没有任何人能去维修。因此在发射前,必须确保万无一失。”苟利军说。

此外,研发过程中,韦布空间望远镜造价也不断提升,实际耗资100亿美元,比最初的预算超出多倍。过程中频繁提高预算,一度使得美国相关单位颇有微词,发生因资金不足而推迟的事件。

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韦布空间望远镜的部署路线图(来源:NASA)

即便如今发射了,也并不意味着一劳永逸。进入预定轨道之后,韦布空间太空望远镜仍有很长的路要走。它将执行一系列操作,包括展开巨大的反光镜、部署五层防晒薄膜、根据地面指令调整镜面等,预计需再耗时几个月时间。

最终,韦布空间望远镜能带给人类怎样的惊喜?且耐心以待。

伴飞空间站

中国“巡天”指日可期

空间天文望远镜是人类进行天文观测,了解宇宙的重要手段。在这方面,中国也有自己的计划。

2021年4月29日,随着“天和”核心舱发射,中国空间站正式进入组建阶段。未来,我国将择机发射大口径、大视场的空间天文望远镜“巡天”,用于宇宙天文观测,可谓中国空间站的“旗舰项目”之一。

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中国“巡天”空间天文望远镜示意图(来源:中科院国家天文台)

一般情况下,“巡天”将与中国空间站保持共轨飞行的状态,即各自独立,却互伴不离。在需要进行维修或者升级时,又可以短期停靠在空间站。

“巡天”对标的是哈勃望远镜,口径为2米,“‘巡天’的视场要比哈勃望远镜大300倍,这意味着视野更为宽阔,能以更高的效率,系统研究宇宙演化的面貌。”苟利军说。

“巡天”空间望远镜的第一代仪器搭载了许多精测模块,包括巡天模块、太赫兹模块、多通道成像仪、积分视场光谱仪和系外行星成像星冕仪。这些仪器将依托各自特点开展观测,既可以精细化观测,也可以无差别“巡天”,去寻找未知天体。

至于“巡天”的最新进展,据了解,预计2022年末,将完成初样鉴定件研制。

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投稿时间:2022-01-20  最后更新:2022-05-09

标签:望远镜   詹姆斯   视场   遮阳板   天文望远镜   星系   空间   空间站   中国   宇宙   厉害   来源

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