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人类有史以来最昂贵的太空望远镜即将升空!它的实力到底有多强?
2022-07-08

地球的大气层在给我们提供生存保障的同时,也削弱了我们对宇宙深空的观测能力,因此我们需要将望远镜送入太空,这样就可以完美地避开地球大气层的干扰,而这正是哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)的发射原因。

自从1990年发射升空以来,哈勃太空望远镜已完成了100多万次的观测,它传回的观测数据将浩瀚的星辰大海真实地呈现在我们眼前,极大地提升了我们对宇宙的认知,甚至还改变了我们对宇宙的思考方式。

时至今日,哈勃太空望远镜已经垂垂老矣,而它的继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)已经整装待发,为方便叙述,下文我们将其简称为“JWST”。

JWST的开发始于1997年,根据最初计划,这台太空望远镜将于2007年发射升空,预计耗资5亿美元,然而由于开发过程的种种原因,它的发射时间已经被推迟了数十次,而其造价也一路飙升至100亿美元左右,并因此而成为了人类有史以来最昂贵的太空望远镜。

确定了,人类有史以来最昂贵的太空望远镜即将升空!它的实力到底有多强?

根据NASA发布的消息,JWST的发射时间已经确定为2021年12月22日,发射地点是位于法属圭亚那库鲁附近的“ELA-3”发射场,届时将由“阿丽亚娜5号”(Ariane 5)运载火箭将其送入太空。

JWST最直观的强大之处就是它巨大的主镜,其直径高达6.5米,聚光面积可达到25平方米,相比之下,哈勃太空望远镜的主镜直径只有2.4米,聚光面积约为4.3平方米,大家可以从下图来感受一下这种差距。

为了降低发射难度,JWST的主镜被设计成了18个六边形镜面,这样这就可以在发射的时候将其折叠起来,待到抵达轨道之后再展开。

JWST每个镜面的平均误差不超过10纳米,其背面都装有非常精密的微电机,它们可以准确地将镜面定位到正确的位置上,在初始配置完成之后,只需要每隔几天更新一次即可让JWST保持最佳状态。

JWST的核心被称为“综合科学仪器模块”(ISIM) ,其主要部件为“近红外相机”(NIRCam)、“近红外光谱仪”(NIRSpec)、“中红外仪器”(MIRI)以及“精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪”(FGS/NIRISS)。

从这些名字我们就可以看出来,JWST的观测波段的主要是红外线,因此它也认为是斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)的继任者,那么问题来了,为什么JWST被设计成主要是观测红外线呢?我们接着看。

(注:斯皮策太空望远镜于2003年发射升空,是目前最大的红外望远镜)

JWST的主要任务目标为:1、研究宇宙中的第一批恒星以及星系;2、研究星系的形成和演化;3、研究恒星及其行星系统的演化;4、探测系外行星上可能存在的生命痕迹。

由于光速的限制,当我们观测到一个距离我们1亿光年的天体时,其实是这个天体的光在宇宙空间中传播了1亿年的时间才被我们观测到,也就是说,我们看到的,其实是这个天体在1亿年前的样子。

因此可以说,一个星系距离我们越远,它看上去就越“年轻”,这就意味着,JWST需要观测距离我们130多亿光年外的天体所发出的光(因为宇宙中的第一批恒星和星系诞生于130多亿年前),而由于宇宙的膨胀,天体发出的光会发生红移,因此在红外线波段观测,会更加容易发现那些非常遥远的恒星和星系。

另一方面来讲,因为红外线的波长较长,它们可以轻易地穿过尘埃和气体,所以我们就可以通过红外线来观测那些被尘埃和气体遮蔽的天体和空间区域(如孕育恒星的原始星云,形成行星的原行星盘以及星系的核心区域)。

除此之外,大多数比恒星温度更低的天体(如星际介质、棕矮星、系外行星等等)也是主要在红外线波段释放辐射。总而言之,JWST要实现它的任务目标,红外线波段是最佳的观测范围。

JWST主要观测波长在600至28300纳米之间的电磁波,这些电磁波除了少数波长较长的可见光(橙色和红色的可见光)之外,其它都是红外线,相对而言,哈勃太空望远镜的观测范围则是100至1000纳米,包括了近紫外、可见光以及近红外波段的电磁波,可以看到,JWST的观测范围非常大,并且与哈勃是互补的。

凭借科技的进步,JWST的实力将远远地超过哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜,在同一波段下,它的综合观测能力至少会提高100倍。

正是因为如此,科学家们都乐观地认为,凭借JWST强大的实力,我们将能够看到宇宙大爆炸后第一批恒星和星系的样子,也能够穿透并看到系外行星大气中的分子,甚至还可能直接发现系外行星上的生命迹象,至于以前所未有的精度来观测太阳系中的天体,那更是“小菜一碟”。

按照计划,在发射升空之后,JWST将会被部署到“日-地第二拉格朗日点”(L2),这个位置是太阳和地球的引力平衡区域,JWST被部署到这个位置上,就可以保持与地球同步运行,同时也获得了绝佳的观测环境。

由于“日-地第二拉格朗日点”与地球的距离高达150万公里(月球和地球的平均距离也只有38万公里),JWST一旦出了什么问题,是不可能得到维修的,因此其发射过程中的每一步都必须要非常精准,稍有疏忽,就可能给这台有史以来最昂贵的太空望远镜造成毁灭性的结果。

从2007年以来,全世界的天文爱好者就开始盼望着JWST的发射,这一盼就盼了十几年了,真心希望这次的发射不要再“放鸽子”,也祝一切顺利,期待JWST在未来能给我们带来意想不到的惊喜。