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韦布和它的太空“战友”们:波长不同功能迥异

2022-01-05 09:41:54    来源:科技日报

科学家给了它一双“大眼睛”,它决心去往遥远的地方,探知浩渺宇宙的微妙波动。

2021年12月25日,迄今为止体积最大的空间望远镜——詹姆斯·韦布空间望远镜(以下简称韦布望远镜)升空,将于不久后到达距离地球150万公里的第二拉格朗日点。

苛刻工艺致使发射推迟14年

“韦布望远镜之大,不仅是体积大,更是功能集大成者。”华中科技大学天文学系副教授张华年说,该望远镜的主镜直径达6.5米,有效面积25.4方米,由18块边长约0.75米,面积约1.4方米的正六边形小镜面拼接而成,重约6.5吨,副镜则为直径约0.74米的圆形镜面。

为阻止外来热量及仪器自身产生的热量所造成的红外线污染,天文学家给韦布望远镜装上了5层“遮阳伞”,每层长约21.197米、宽约14.162米,大小如网球场,厚度乎头发丝。

同时,为提高镜面反射能力,工程师在主镜上镀了一层厚度仅为头发丝十分之一的“土豪金”。

韦布望远镜空间分辨率达到0.1角秒,工作波长范围位于红外和中红外波段(0.6—28.5微米),设计服务年限5—10年。

张华年介绍,受运载火箭大小限制,韦布望远镜必须折叠起来才能塞进火箭,在航行中一步一步慢慢展开,这对加工工艺要求几苛刻,导致望远镜发射推迟14年之久,最终预算超过100亿美元。

他表示,韦布望远镜主要由4个探测仪器构成,即红外照相机、红外光谱仪、中红外设备、红外成像器与无缝光谱仪。

其中,红外照相机和中红外设备主要由美国亚利桑那大学领导设计。

此前在该校读博的张华年,曾与领导设计这两个仪器的教授,对仪器的设计和工作流程进行过交流。他表示,红外照相机可以帮助韦布望远镜完成最重要的探索任务,再由可同时观测100个物体的红外光谱仪来认证红外照相机拍摄到的“奇异”天体;中红外设备则集合中红外相机与中红外光谱仪于一体,无缝光谱仪能极大提高望远镜对多天体的探测效率。

探寻宇宙大爆炸后“第一缕光”

张华年直言,筹备30年,等待14年之久的韦布望远镜,其科学目标极其宏大。韦布望远镜志在寻找宇宙大爆炸后“第一缕光”,即第一代星系、恒星或亮物体。

若韦布望远镜探测到第一代星系,结合其他望远镜对宇宙不同时期各类星系的观测,天文学家就能研究星系是如何一步一步成长的,从而描绘出星系演化的完整图景。

同时,韦布望远镜也可探测一些正在形成的恒星系统。在活跃的恒星系统中,其外围会先形成气体与尘埃构成的冷盘,冷盘内正在形成类似地球与木星的行星,它们发出的辐射集中在红外区域,但极其微弱。由于韦布望远镜所在的空间背景“噪声”极低,加上相比哈勃望远镜更大的口径,可以展示更多冷盘细节,揭露恒星形成的“真实面貌”。这对研究恒星形成、恒星原初质量函数等具有划时代意义。

此外,韦布望远镜还可以测量太阳系及系外行星的物理和化学参数。对一些特殊恒星系统来说,如其中某些行星遮住了母恒星,韦布望远镜就可捕获母恒星被行星大气折射的星光,据此分析行星大气的化学成分和物理参数,甚至确定行星上是否存在液态水,是否适合生物生存,为人类寻找外来文明提供更多可能

各望远镜波长不同功能迥异

使命不凡,战友同在。仰望星空,还有一些“大眼睛”正在紧张工作,试图“看”得更远、“看”得更清。

张华年介绍,空间望远镜靠收集宇宙光线进行探测,而光是一种电磁波,探测不同波长的光对望远镜加工工艺和技术细节的需求完全不同。所以星空中才会有那么多不同类型的望远镜,代替我们去“看一看”这个宇宙。

哈勃望远镜于1990年升空,位于地轨道约500公里处。其主镜为2.4米的单一镜面,有效面积远小于韦布望远镜,但重量却约为韦布望远镜的两倍,且波长覆盖范围正好与韦布望远镜互补。

“与其说韦布望远镜是哈勃望远镜的继任者,不如说是相辅相成的合作者。”张华年说。

于1999年升空的钱德勒X光望远镜,和哈勃望远镜一样,被美国国家航空航天局(NASA)选为“旗舰机”。钱德勒X光望远镜相比韦布望远镜,堪称超级“迷你”版,外围仅1.2米,有效收光面积只有0.04方米,重量却有5吨,和韦布望远镜不相上下。其工作轨道为椭圆轨道,地点高度约1.4万公里,远地点高度约13万公里。

与钱德勒X光望远镜较接的另一架望远镜是盖雷斯望远镜,也是一款“迷你”望远镜,直径0.5米,工作波段在紫外线区域,位于距地球700公里左右的轨道。

张华年说,尽管钱德勒X光望远镜超级“迷你”,取得的成果却不落下风:第一次观测并描绘超新星爆发的遗迹、第一次用X光探测到银河系中心超大质量黑洞的发射线、首次在伽马暴事件GRB991216中发现X光发射等,都是该望远镜的“杰作”。

同时,耗资8亿美元的斯皮策望远镜于2003年升空,主镜0.85米,仍然非常“迷你”,设计工作波段在红外区域。斯皮策望远镜是第一架围绕太阳运转而非围绕地球运转的望远镜,其轨道和地球差不多。

张华年介绍,斯皮策望远镜远离地球运行在太阳轨道,可最大程度降低来自地球的红外辐射,并拥有天然的低温环境。但在2009年,其用作冷却液的液氦消耗殆尽,远红外观测终止,进入“温观测”阶段,工作温度达到零下243摄氏度。

不过,韦布、哈勃、钱德勒、斯皮策等望远镜都是通用“点源”望远镜,即对宇宙中某个点进行深度曝光和光谱成像。

伴随大数据时代到来,未来空间望远镜更多的是巡天望远镜,即“面源”望远镜,这些望远镜可以长时间、大视场对宇宙不同天区进行曝光,收集海量数据。

在张华年看来,“点源”和“面源”望远镜好比摄影的两个不同场景,“点源”类似棚拍,摄影师对着事先选好的目标模特进行拍摄,而“面源”如同街拍,摄影师在街上对着人群进行大量拍摄,后期再挑选感兴趣的目标。

目前,国际上即将投入使用的巡天望远镜是美国的罗曼空间望远镜和欧洲的欧几里得空间望远镜。

张华年介绍,我国研制的中国空间站望远镜口径为2米,工作波段在0.3—1微米。其视场是哈勃的300倍,服役期间其观测范围可以覆盖三分之一天区。高精度、大视场成像巡天,配合3通道无缝光谱巡天,中国空间站望远镜将为未来宇宙学、星系形成与演化、暗物质暗能量、系外行星寻找等方面的研究提供帮助。(记者吴纯新通讯员高翔)

标签: 韦布望远镜 太空战友 波长不同 功能 钱德勒

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