鸽了14年,韦伯太空望远镜终于要上天了?

本文来自微信公众号:深究科学(ID:deepscience),作者:张天蓉,原文标题:《耗资100亿美元的韦伯望远镜本周末发射升空,为何它被称为“鸽子王”》,题图来自:视觉中国

根据NASA最新消息,将于2021年12月25日发射。实际上,NASA 14年前就计划发射韦伯太空望远镜。为何发射时间一拖再拖?

走得最远的航天器是旅行者1号,离家44载,刚到太阳系边界。用光速表达这个距离,就是光走20小时而已。

而人类的“眼光”就看得远多了。即使是肉眼,也能看到很远的星星,望远镜更不在话下。远到多远呢?结果令你吃惊:130亿光年,是旅行者1号距离地球的4万亿倍!

伽利略用望远镜研究太阳系的行星及其卫星;赫歇尔家族用望远镜探测银河系并记录下几万颗星星;哈勃本人用望远镜观测到银河之外的4万多个“河外星系”。望远镜带给人类一次一次的惊喜,将我们的目光延伸到能“和宇宙共处,与光波同行”。

而本周末,美国NASA将要发射韦伯望远镜,建造韦伯望远镜不仅远超当年10亿美元的预算,实际花费高达100多亿美元。而且由于各种原因,发射它的时间一拖再拖,早在14年前NASA就准备将其发射升空,直至最近它才定于本周末发射,也许美国人希望了结此心病,过上一个美好的圣诞节。

现代天文观测将望远镜从地面搬到太空;频率范围从可见光扩展到了伽玛射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波等等。观测到最遥远(130亿光年)古老星系、探测到恒星和星系的早期形成过程的,是美国以哈勃命名的望远镜。它的广角行星相机可拍摄上百个恒星照片,清晰度是地面天文望远镜的10倍,1.6万公里外的一只萤火虫都“一目了然难逃法眼”。

哈勃望远镜升空二十余年,影像珍贵成果颇丰,如哈勃深空、哈勃超深空、哈勃极深空。哈勃深空(HDF)便是一张由哈勃于1995年所拍摄的夜空影像。与“广角”的目的不同,深空拍摄位置在大熊座中一个很小的区域(仅144角秒)。影像由342次曝光叠加而成,拍摄时间连续10天。所包含的区域几乎没有银河系内的恒星,可见的3000多个物体全部都是极遥远的星系。哈勃超深空包括10,000个星系,显示的是超过130亿年前的“过去”。

哈勃深空

哈勃深空深入到哪里去?遥望太空,却能穿越时间的隧道,回望宇宙的过去。因为光传播需要时间,所以我们看到的是那儿的过去。白天看到的是8分钟之前的太阳,晚上看见的是1.28秒之前的月亮。8分或1.28秒是小事一桩,但对遥远的星球而言,结论就非同小可且颇为有趣了。遥望织女星,其实看到的是她25年前的模样,银河系外最近的星系是仙女座,是250万光年前的样子。

图最左边表示宇宙的起点,大爆炸及早期宇宙演化,之后,产生了第一代恒星,第一代星系,现代星系形成,再后来,由星系群、星系团、超星系团等大尺度结构形成……图中可见,哈勃超深空深入到了大爆炸后6亿年左右。

大爆炸模型

哈勃极深空还不够。革命尚未成功,31岁的哈勃望远镜却已显老旧,主要是需更新换代电子仪器。韦伯望远镜(JWST)便是哈勃的接班人。它的主要科学目标之一是探测早期形成的第一批恒星和星系,为宇宙拍个4-6亿岁时的婴儿照。韦伯与哈勃大不相同:一是工作频率,哈勃以可见光为主,韦伯集中于红外线波段;二是在太空的位置。下面分别说明。

韦伯JWST为何要在红外波段工作?因为第一代恒星和星系初生年代的信息传播到现代,可见光或紫外线已被红移到了红外区域。红外功能不够的哈勃无法捕捉到早期宇宙中的神秘天体(红移值高达9.6),需要依靠“引力透镜”效应来发现它们。

而红外线的波长更长,使得需要更大的镜面聚光来达到更高的分辨率。韦伯望远镜主镜直径6.5米,几乎是哈勃直径的3倍。主镜由铍制成,镜片上涂上一层厚度仅为头发千分之一的金,主镜包括18块6角形镜片,在发射时需要打包,折叠起来,升空安置好之后再打开。

哈勃离地高度不过600公里,韦伯望远镜的位置却距地球约150万公里,比它的前任离地球远得多。韦伯望远镜比较特别的是它的轨道。它不是像哈勃那样绕着地球转圈,而是位于太阳-地球系统的拉格朗日点L2上。

何谓拉格朗日点?在两个大质量和一个微小质量质点的简化三体问题中,有5个点可以让小质量天体稳定运行,这5个点被称作拉格朗日点。两个天体环绕运行,空间中有五个位置(L1、L2、L3、L4、L5)可以放入第三个物体(质量忽略不计),使其与另两个天体的相对位置保持不变。

韦伯望远镜升空后的景象是这样的:哈勃仍然在绕着地球转小圈,仍然不停地发回大量照片;而在地球背对太阳的一方,韦伯背朝着地球,孤零零地飘荡在L2点上,在那里,它比哈勃更远离地球与太阳的干扰,能够更方便地窥探深空,朝宇宙的起点望去,一直望到宇宙的边缘,天之尽头。

本文来自微信公众号:深究科学(ID:deepscience),作者:张天蓉

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