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2022年01月05日

“韦布”有双“大眼睛”

詹姆斯·韦布望远镜概念图。 受访者供图

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太空望远镜——詹姆斯·韦布太空望远镜(以下简称韦布望远镜)升空。

●吴纯新 高翔

A 工艺苛刻致使发射推迟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平方米,由18块边长约0.75米,面积约1.4平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,厚度近乎头发丝。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,工作波长范围位于近红外和中红外波段(0.6至28.5微米),设计服务年限5至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近苛刻,导致望远镜发射推迟14年之久,最终预算超过100亿美元。

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

其中,近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,近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个物体的近红外光谱仪来认证近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。

B 探寻宇宙大爆炸后“第一缕光”

张华年直言,筹备近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性。

C 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。

由于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,位于近地轨道约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平方米,重量却有近5吨,和韦布望远镜不相上下。其工作轨道为椭圆轨道,近地点高度约1.4万公里,远地点高度约13万公里。

与钱德勒X光望远镜较接近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,耗资近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。

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。

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至1微米。其视场是哈勃望远镜的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。

据《科技日报》

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