韦伯望远镜即将发射!梭哈百亿美元上天,是为了看啥?
发布时间:2021-12-24
出品:科普中国
制作:天谕科普
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  笔者第一次听到詹姆斯·韦伯天文望远镜,是在童年时期的科普读物《天文爱好者》中。

  

  詹姆斯·韦伯太空望远镜 (图片来源:NASA

  经过25年的筹备,历经数十次延期与追加几十亿美元的投资后,根据NASA的官方消息,这架望远镜终于被运送至法国圭亚那库鲁发射场,预计于20211225日发射。

  

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  这座20世纪90年代开始立项,原计划于2007年发射的顶尖天文望远镜,担负着探寻宇宙边界寻找大爆炸初期残留在宇宙边缘红外线的重要任务。

梭哈百亿美元上天,到底是为了看啥?

  1996年,在联邦太空探索计划的支持下,美国宇航局、欧洲航天局与加拿大航天局展开国际合作项目,计划研究并发射“下一代太空望远镜”。

  20029月,这一项目前美国宇航局局长詹姆斯·韦伯的名字重新命名,这便是天文学界大名鼎鼎的“詹姆斯·韦伯天文望远镜”项目。

  

  詹姆斯韦伯天文望远镜(图片来源:NASA

  韦伯工作的地方在太空之中,距离地球150万公里的拉格朗日2点处。之所以选择这么远的地方,和韦伯的特殊任务有关。

  在天文学的研究中,红外观测是研究太空深处变化至关重要的一环。宇宙的真空中遍布着由天体运动变化所形成的尘埃团,这些尘埃能够吸收大部分的可见光,并遮盖住隐藏在背后的大量恒星与行星。而星体发射出的红外光能够穿透这团灰尘,帮助天文学界揭示隐藏在尘埃之后的奥秘。

  在宇宙中捕捉星体发射的红外光并非易事,特别是观测目标比较遥远由于光源物体远离观测者运动,观察到的电磁辐射频率会因此降低,从而产生“红移”现象,即光源物体光谱会从高能量的紫外线及可视光频段减少至低能量的近红外段。

  因此,对这些遥远目标(例如宇宙最初星系)的观测需要超高精度红外望远镜。这要求韦伯望远镜必须足够大,并采用无镜筒的开放式设计。

  

  哈勃对猴头星云的可见光(左)和红外视图(右)的对比。红外视图能够观测到更多的星系

  (图片来源:NASA

  在观测宇宙大爆炸起源的第一代恒星时,由于红移效应的存在,0.5微米的可见光会红移至10微米的波段,且任何的可见光都会对其产生影响。由于地球发射的红外光峰值也在10微米左右,这意味着地球本身就是一个强烈的红外光污染源。

  同时,这座望远镜必须在零下220度左右运行,以避免望远镜内部零件温度辐射对红外信号的干扰。

  拉格朗日点是太阳系中行星体引力产生平衡的点,在这一位置运行的物体会维持其稳定的运行状态,并与地球同步进行公转。在这一点韦伯望远镜的单向太阳盾能够同时阻挡来自太阳、地球和月球的光污染,获得更高精度的光谱观测结果。

  

  韦伯将在距离地球150万公里的拉格朗日2点(L2)处绕太阳运行,并与地球保持同步。

  (图片来源:NASA

  韦伯望远镜是光学望远镜,发射成功后,它将成为哈勃望远镜的替代者与继任者。同时,韦伯能够探索到更长的光学波长,将超越哈勃的现有工作。

  但是,由于拉格朗日点不在任何载人航天载具的运行范围(40万公里)内,这意味着如果出意外,没法对韦伯望远镜进行维修。所有的发射、展开与部署任务必须自行完成且一次成功,一经“出厂”终生不维护。

  韦伯望远镜的总投入已超过88亿美元,这无疑是一次“百亿美元”级的豪赌。在NASA研究者的预想中,这架价值百亿美元的望远镜预计使用寿命是五年。

庞大的硬核科技:韦伯聚集了人类最为极限的工艺结晶

  为了探索宇宙大爆炸起源,韦伯望远镜聚集了人类现能达到的极致工艺水准。

  韦伯望远镜一个观测主镜、一个网球场大小的五层太阳盾遮光板、以及包含观测设备在内的四台顶级仪器组成。

  的主镜片直径为6.5米,受限于火箭尺寸,这一镜片被细分为18面六边形分镜。为了抵御零下220度镜面的变形,镜片使用碱土金属铍进行制作,这一核心材料具有极强的抗弯刚度、极高的热稳定性、极好的热导率与极低的密度。

  同时镜面加工的抛光误差被控制在10纳米内,约等于数十个铍原子的长度。这些镜片表面上,使用黄金蒸发再凝固的极致工艺,镀上了一层标准120纳米厚度的黄金涂层。为了对10纳米内的微小形变进行校正,工程师在子镜片后加装了7个微型电机,通过调节子镜面的曲率与方位来保证镜片的极致平整。

  

  由18个分镜片组成的韦伯望远镜主镜片(图源:NASA

  为了最大限度隔绝来自太阳与地球的红外辐射污染,工程师为韦伯望远镜配备了300平米面积的五层太阳盾。这一太阳盾由电镀形成的硅膜与铝膜组成,其厚度约为25微米50微米之间,大约是人头发粗细的1/3左右。

  这五层经过细致加工的太阳盾,能够将太阳辐射衰减近百万次,并在正面与背面形成300摄氏度的温差,从而将望远镜的工作温度始终维持在零下230摄氏度左右。

  

  5层设计的韦伯望远镜太阳盾

  (图片来源:NASA

  此外,设备内部还配置了一台用于记录微弱信号的光谱仪、一台能够同时观测100个目标的可编程微快门照相机、一台能够将温度降低至接近绝对零度的冷却器、以及一台低温下工作的高敏度红外线传感器。

  抵达工作点后,韦伯望远镜会花费数十日的时间,从压缩包展开成为一个网球场大小的庞然大物。

  詹姆斯·韦伯望远镜以其顶尖的加工工艺与高昂的造价,成为了人类航空航天与天文领域历史上排名前五的项目。极致的技术参数使它能够傲视此前所有的太空望远镜,同时其有望将目前人类可观测的宇宙半径460亿光年进一步扩大,并推进至宇宙时空的边缘。

紧随其后中国未来的空间光学望远镜

  空间光学望远镜因其观测环境纯粹、受干扰小,是现代天文学发展的绝对主力。

  虽然我国的深空探测起步较晚,但发展速度不容小觑

  中科院经过数十年的技术积累与探索,成功立项的空间科学战略先导科技专项拟发射4颗卫星,其中第一颗于2015年升空的探测卫星悟空号造价1亿美元,成功完成了我国在深空暗物质探测领域的重大突破。

  与此同时,陆续开展进行的天眼FAST与嫦娥工程探月项目,也标志着我国深空探索的诸多新成就。

  预计到2024年左右,我国计划发射“巡天”光学舱平台,并与中国空间站共用轨道。这台光学望远镜的分辨率与哈勃望远镜类似,预计视场为哈勃望远镜300倍。

  此外,中科院启动了计划2027年发射“增强型X射线时变与偏振天文台”(eXTP)的规划,计划建造全球顶尖的旗舰级天文台。这将成为我国天文望远镜研究的里程碑,并起到后发先至的效果。

  道阻且长但人类探索宇宙的脚步不止。

参考文献:

  [1] Gardner, J. P., Mather, J. C., Clampin, M., Doyon, R., Greenhouse, M. A., Hammel, H. B., ... & Wright, G. S. (2006). The james webb space telescope. Space Science Reviews, 123(4), 485-606.

  [2] Lightsey, P. A., Atkinson, C. B., Clampin, M. C., & Feinberg, L. D. (2012). James Webb Space Telescope: large deployable cryogenic telescope in space. Optical Engineering, 51(1), 011003.

  [3] Rieke, G. H., Wright, G. S., Böker, T., Bouwman, J., Colina, L., Glasse, A., ... & Waelkens, C. (2015). The mid-infrared instrument for the james webb space telescope, i: Introduction. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 127(953), 584.

  [4] Gardner, J. P., Mather, J. C., Clampin, M., Doyon, R., Flanagan, K. A., Franx, M., ... & Wright, G. S. (2009). The James webb space telescope. In Astrophysics in the Next Decade (pp. 1-29). Springer, Dordrecht.

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