因天气原因韦伯又延期 “鸽王”这帽子越戴越紧了
发布时间:2021-12-23
出品:科普中国
制作:铮铮有声
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  “鸽王”詹姆斯·韦伯太空望远镜又鸽了!

  NASA给出的最新消息是,韦伯将于1225日发射。希望这次它做好了发射准备。

  

  詹姆斯·韦伯太空望远镜最早定于2007年投入使用,但是多年来,开发挑战和成本超支导致望远镜计划一再拖延,研发受到阻碍发射计划也是不断推迟。

  

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  发射成功后,詹姆斯·韦伯太空望远镜将成为继哈勃之后,人类最强大的太空望远镜作为继任者,韦伯太空望远镜有哪些变化和超越?

  

  库房中的詹姆斯•韦伯太空望远镜(图片来源:NASA)

体重更轻,但技能更多,核心任务升级

  根据报道,詹姆斯·韦伯太空望远镜的质量为6.2吨,约为哈勃太空望远镜(11吨)的一半。

  詹姆斯·韦伯太空望远镜的主反射镜由铍制成,口径达到6.5米,面积更是哈勃太空望远镜的5倍以上。

  哈勃太空望远镜主要观察光学和紫外线波长,而詹姆斯·韦伯太空望远镜能在近红外波段工作同时,韦伯太空望远镜对环境的适应更强,能在接近绝对零度(零下273.15摄氏度)的环境中运行。

  

  大名鼎鼎的哈勃太空望远镜(图片来源:NASA

  多年来,哈勃太空望远镜取得了非常多的成就,作为继任者,詹姆斯·韦伯望远镜为什么不继续观测光学和紫外线波长,而是主攻红外线的天文观测呢?

  这与天文学家对詹姆斯·韦伯望远镜的期望有关。

  詹姆斯·韦伯太空望远镜的核心任务是观察宇宙微波背景辐射宇宙大爆残余红外线寻找大爆炸理论的证据,也就是观测今天可见宇宙的初期状态这就要求詹姆斯•韦伯望远镜比哈勃看得更远、更早。

  

  宇宙大爆炸(图片来源:NASA

  太空中的许多物体在可见光或紫外线下都很暗淡或不可见,但在红外线下却能很好地显示出来。

  这与红外线本身特性有关。

  红外线(InfraredIR)是一种“光”严谨的说是一种电磁波它的频率高于微波炉的微波但比人眼能看到的可见光要低。红外线电磁波谱中频率为0.3THz400THz,对应真空中波长为1mm750nm辐射的总称。

  之所以叫“红外”,是因为眼睛看到的红色光、蓝色光是频率越低颜色越红,红外线的频率比红光还低。

  

  电磁波谱(图片来源:合肥晚报

  虽然肉眼无法看到,但红外线存在很广物体内部分子热运动能产生红外辐射,自然界中的一切物体,无论是北极冰川,还是火焰、人体,甚至极寒冷的宇宙深空,只要它们的温度高于绝对零度-273.15摄氏度,都会有红外辐射

  红外辐射的能量以及频率与自身温度正相关。我们在电影、电视里看到士兵佩戴红外线夜视仪就能看清楚目标,利用到的红外成像技术原理是根据探测到的物体的辐射能量的高低,经系统处理转变为目标物体的热图像,以灰度级或伪彩色显示出来,即得到被测目标的温度分布,好比蓝色背景下的红色人影,从而判断物体所处的状态。

  在这次新冠疫情防控中,这一测温方法得到广泛应用。

  

  疫情防控中的红外线热成像应用(图片来源:央视截图

  行星能发出红外线,且这些红外线可以被它大气层中的化学元素更改,而科学家分析得到的化学元素组成可能象征着外星生命的存在。

  韦伯望远镜会使用专门的设备阻挡距离遥远的星球的光,从而捕捉到绕恒星运行的任何物体的图像,比如太阳系之外的行星——遥远太空中那些类似地球的不发光天体。

  另外,韦伯望远镜可以捕捉到温度更低的天体,例如因距离太阳较远、承受阳光较少,温度低到零下一两百摄氏度的柯伊伯带和奥尔特云,起源于这两个区域、以冰雪为核心的彗星,还有新生恒星在形成自己星系过程中产生的庞大原行星盘,以及分子云等等,它们都是距离恒星远、自身温度低的天体,但它们所发出的微弱红外射线仍然可以被灵敏的韦伯望远镜观测。

寻找大爆炸理论的证据为什么韦伯望远镜最合适?

  在前面的介绍中,我们提到韦伯望远镜可以通过观测宇宙大爆残余红外线的方式,查找宇宙初期状态。

  不过地球上也有红外观测望远镜,为什么要用韦伯望远镜呢?

  这与天文观测两个问题有关:吸收和污染

  首先,地球大气层吸收了大量的红外光,特别是水汽、二氧化碳等,这将影响对来自遥远宇宙的红外辐射的观测,使光谱学和遥远星系中的元素识别变得非常困难。

  其次,地面附近的红外光污染非常强,不仅地球本身红外辐射非常强,地面的各种事物——人、房屋、望远镜等都有红外辐射,这对于精细的天文观测影响是很大的。

  因此,地球大气对天文方面的红外线观测仅有7个狭窄的“窗口”,也就是说只有7个特别的红外线波段。

  为了尽量克服困难,地面的红外望远镜常置于高山区域。世界上较好的地面红外望远镜大多集中安装在太平洋美国夏威夷的莫纳克亚,这里海拔4200多米,人迹罕至,是世界红外天文的研究中心。

  1991年建成的凯克望远镜可能是最大的地面红外望远镜,它位于夏威夷岛的莫纳克亚山上,口径为10米,可兼作光学、红外两用。

  

  凯克望远镜(图片来源:NASA

  因此,要获得宇宙中更多的红外波段信息,就必须“打天上的主意”。最初是科学家用高空气球装红外线探测器,后来发展到飞机运载红外望远镜或探测器进行高空观测。

  1983123日,美英荷联合发射了第一颗红外天文卫星IRAS。而今,詹姆斯·韦伯太空望远镜即将发射,将进一步拓展这方面的能力。

  詹姆斯·韦伯太空望远镜身在距离地面150万公里的太空中,远在地球稠密大气的范围之外,既不会被大气遮蔽宇宙中天体的红外辐射,也不容易被地球和地面物体的红外辐射污染。

  并且,它始终位于日地连线的地球背面,可以通过地球遮挡来太阳的辐射。它还附带了可折叠的遮光板,以屏蔽会成为干扰的光源。

  以上种种,将帮助这枚太空望远镜成为地球人的“红外之眼”。就让我们一同期待它在未来大放异彩吧。

参考资料:

  https://www.nasa.gov/mission_pages/webb/about/index.html

  https://www.nasa.gov/press-release/nasa-announces-new-james-webb-space-telescope-target-launch-date

  https://jwst.nasa.gov/content/observatory/instruments/nircam.html

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