欧美老妇性午夜小视频_国产97最新在线视频_亚洲精品免费Ww久久_日韩三级在线成人网站

中國西藏網(wǎng) > 即時新聞 > 文化

韋布空間望遠(yuǎn)鏡的觀星之道

發(fā)布時間:2022-08-04 16:20:00來源: 光明網(wǎng)-《光明日報(bào)》

  作者:劉豐源(中國科學(xué)院國家天文臺碩士研究生)

  日前,一批特殊的照片吸引了人們的目光:美輪美奐的船底座星云、“南天指環(huán)”星云、“斯蒂芬五重奏”星系、SMACS 0723星系團(tuán)深場……這些璀璨奪目照片背后的功臣,是人類迄今為止最為先進(jìn)的空間天文設(shè)備——詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡。

  韋布是什么?

  一臺巨大的“宇宙相機(jī)”

  第一次看到詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡(JWST,以下簡稱韋布)的人,也許會感到十分意外——拋開巨大的體積不談,它金黃色的巨大面板棱角分明,還連著一摞奇形怪狀的紫粉色薄膜,似乎和平時我們接觸的望遠(yuǎn)鏡相去甚遠(yuǎn)。

  其實(shí),韋布就像一臺“宇宙相機(jī)”:主鏡、副鏡等相當(dāng)于沒有鏡筒的“鏡頭”,而其他部分則相當(dāng)于“機(jī)身”。金色的六邊形面板是它的主反射鏡,它的直徑為6.5米,由18個六邊形子鏡拼接而成。之所以要設(shè)計(jì)成拼接的形式,是因?yàn)樗鼘?shí)在太大,必須折疊后才能放入火箭的艙室內(nèi)。

  如此巨大的鏡面,正是韋布的科學(xué)雄心所在。光學(xué)定律告訴我們,望遠(yuǎn)鏡的口徑越大,捕獲光子的效率就越高。天體發(fā)射的光子好像傾盆大雨中的雨滴,而更大的望遠(yuǎn)鏡口徑就好比用更大的水桶去接雨水,在短時間內(nèi)就可以產(chǎn)生較高亮度的圖像,從而看見那些遙遠(yuǎn)而黯淡的天體。除此之外,更大口徑的鏡面還擁有更高的分辨率,得到的圖像更清晰。這樣一來,我們拍到的天體就有更加豐富的細(xì)節(jié)。

  完成一場“太空折紙”,并不是一件容易的事。韋布的每個子鏡都由金屬鈹制作而成,輕盈、堅(jiān)固;又鍍了一層極薄的黃金,既有效地反射紅外光,又不易變得暗淡。此外,每一面子鏡都可以自由地改變曲率和指向。經(jīng)過校準(zhǔn)以后,它們會共同組成一個巨大的拋物面,將星光聚攏到副鏡上。為了合成完美的拋物面,在太空中展開后,微型機(jī)械馬達(dá)必須將各個子鏡無縫對齊,誤差不能超過頭發(fā)絲直徑的萬分之一,其難度可想而知。

  經(jīng)過層層反射后,星光進(jìn)入主鏡中央開口后方的“科學(xué)儀器模塊”中,在那里得到進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換和處理。韋布共攜帶四臺終端科學(xué)儀器,它們分別是中紅外儀器(MIRI)、近紅外相機(jī)(NIRCam)、近紅外成像儀和無縫光譜儀(NIRISS)、近紅外光譜儀(NIRSpec)。其中,中紅外儀器可以在5~28微米的波長范圍內(nèi)工作,而近紅外的三臺儀器則在約0.6~5微米的波長范圍內(nèi)工作。相比較而言,人眼看到的光線波長范圍大約僅在0.4~0.8微米范圍,要局限得多。

  像普通相機(jī)一樣,中紅外儀器、近紅外相機(jī)都可以拍攝圖像,但它們的靈敏度可比商業(yè)相機(jī)甚至軍用衛(wèi)星高多了。它們能探測到低至幾納央斯基的流量,假設(shè)把一盞兒童睡覺時開的床頭夜燈放到月球上,從地面上看去,它的亮度都要比韋布的探測極限高二十倍!

  在到達(dá)相機(jī)底片之前,星光還會經(jīng)過濾光輪,輪上安著十余種不同的濾光片。這些濾光片各自允許特定波長范圍的光線通過,可以根據(jù)電腦指令轉(zhuǎn)動到底片前方。這樣一來,天文學(xué)家拍攝的每一張圖片,就只反映天體在特定波長范圍內(nèi)的輻射情況。在不同濾鏡下拍攝照片,就能得知天體在各個波長的輻射分布,從而推斷出天體的性質(zhì)。將不同濾鏡的照片在計(jì)算機(jī)里分別賦予單一顏色,再疊加起來,就得到了我們??吹降纳拾邤痰奶煳恼掌?。此外,韋布還配備了星冕儀。它可以遮擋明亮的天體,從而讓天體周圍暗弱的背景顯現(xiàn)出來。

  但除了拍攝圖像,天文學(xué)家更翹首以盼的,是用韋布得到天體的光譜信息。太陽光這樣的多色光經(jīng)過大氣層中的水汽散射后,會產(chǎn)生絢麗的彩虹。光的能量按照波長(或頻率)的這種分布就叫作光譜。韋布的四臺儀器都可以進(jìn)行光譜拍攝。原子、分子吸收或發(fā)射特定波長的光,會在光譜上有所反映。通過光譜,我們可以知道天體的類型、速度、距離、成分等重要信息,從而畫出宇宙中天體的“三維地圖”。

   為何耗資88億美元?

  確保韋布拍出最好的照片

  2021年12月,韋布望遠(yuǎn)鏡搭乘著阿麗亞娜5號火箭,在法屬圭亞那的發(fā)射場升空。

  這是一場遲到了14年的赴約。早在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST,以下簡稱哈勃)發(fā)射以前,天文學(xué)家就開始考慮建造更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡,稱作“下一代空間望遠(yuǎn)鏡(NGST)”。最初的計(jì)劃僅僅是花費(fèi)5億美元,建造一臺8米口徑的望遠(yuǎn)鏡,并于2007年發(fā)射。然而,項(xiàng)目一再擴(kuò)增和延期。到韋布望遠(yuǎn)鏡最終發(fā)射時,總投資已經(jīng)超過100億美元。

  韋布延期主要是出于安全方面的考慮??臻g望遠(yuǎn)鏡出故障的先例不勝枚舉。例如1990年哈勃發(fā)射后,天文學(xué)家就震驚地發(fā)現(xiàn),它拍攝的圖像都很模糊:原來是鏡片磨制的形狀出了錯誤,沒辦法準(zhǔn)確地聚焦光線!直到1993年,航天員駕駛航天飛機(jī)到太空中,為哈勃加裝了一臺“近視眼鏡”,成像才恢復(fù)正常。哈勃圍繞著近地軌道運(yùn)行,出了錯還可以補(bǔ)救;但韋布在地球和太陽的第二拉格朗日點(diǎn)附近運(yùn)行,繞著太陽公轉(zhuǎn),離地球足足有150萬公里,是月球到地球距離的四倍。萬一韋布出現(xiàn)了故障,在它整個“有生之年”內(nèi)(預(yù)期壽命將超過十年),人類都無法親自維修。因此,團(tuán)隊(duì)必須在地面上反復(fù)檢驗(yàn),確保萬無一失。

  為什么要把望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到這么遠(yuǎn)的距離上?進(jìn)入太空的好處顯而易見:不再有白天黑夜的限制,沒有陰雨天氣影響,避免了大氣層吸收和折射星光……但地球時時刻刻散發(fā)著大致相當(dāng)于室溫的熱量,會讓近地軌道上的航天器溫度上升。對于韋布這樣的紅外探測器來說,是很大的干擾。

  一切物體都會發(fā)出紅外線。新冠肺炎疫情以來,我們也許已經(jīng)習(xí)慣于見到自己在紅外照片里的樣子了——公共場所的體溫成像儀正是紅外相機(jī)最常見的應(yīng)用。人體會發(fā)出紅外線,太陽、地球、遙遠(yuǎn)的恒星和星系也是如此。更奇妙的是,紅外線還能夠穿透遮蔽物。在星系中彌漫著大量微粒,稱為“星際塵?!?,會阻擋紫外線和可見光,紅外線卻暢通無阻。因此,用紅外線觀測塵埃區(qū)有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,能看到塵埃背后發(fā)光的天體。

  除此之外,那些極其遙遠(yuǎn)的星系和星系際介質(zhì),發(fā)出的光會發(fā)生所謂的“紅移”。多普勒效應(yīng)告訴我們,物體一旦和觀測者相背而行,觀測者看到的波長就會變長。而按照宇宙膨脹理論,遙遠(yuǎn)的天體都是在遠(yuǎn)離我們的。這樣一來,它們的輻射就會整體向光譜的紅端移動。天體越遠(yuǎn),遠(yuǎn)離我們的速度就越快,紅移也就越大。而在遙遠(yuǎn)的星系中,有很大一部分的能量本來是在可見光波段發(fā)出的。經(jīng)過紅移之后,這部分能量正好位于韋布探測的紅外波段,因此,韋布也極為適合探測那些最為遙遠(yuǎn)的天體。

  但是,韋布望遠(yuǎn)鏡畢竟處在太陽系中,免不了受太陽照射。如果鏡身溫度太高,自身產(chǎn)生的紅外線也會干擾觀測。為此,韋布配備了被動和主動兩種降溫方式。

  在朝向太陽的方向,韋布撐起了一把“遮陽傘”——網(wǎng)球場一樣大的聚酰亞胺薄膜。這種材料不足一毫米厚,不僅輕便,而且還能承受很大的溫差。薄膜共有五層,每層上面都鍍了鋁,能很好地反射并隔絕熱量。在面朝太陽的前兩層上,還特別覆蓋了粉紅色的摻雜硅涂層,散熱效率大大提高。

  在薄膜朝向太陽的一面,溫度高達(dá)110攝氏度;而經(jīng)過五層薄膜的阻隔,背向太陽的一面足足降到了零下230攝氏度以下。我們常用的護(hù)膚霜或遮陽傘“防曬指數(shù)”不過50左右,但韋布的遮陽傘“防曬指數(shù)”足足達(dá)到了100萬,意味著只有百萬分之一的“漏網(wǎng)之魚”。

  不過,科學(xué)儀器模塊中的儀器對溫度極其敏感,僅靠被動冷卻是不夠的。例如中紅外儀器需要在零下266攝氏度才能正常工作(僅比絕對零度高了7度),這時就需要“低溫冷卻器”登場了。除了先進(jìn)的冷卻機(jī)制外,它也許還是世界上最“靜音”的冰箱——因?yàn)槟呐乱稽c(diǎn)點(diǎn)振動,都會造成災(zāi)難般的圖像模糊。

  韋布要做什么?

  加深人們對宇宙的理解

  作為人類最昂貴、最大、最先進(jìn)的空間望遠(yuǎn)鏡,韋布的主要使命被歸類為四個領(lǐng)域:宇宙曙光與再電離、不同時期的星系、恒星與原行星系統(tǒng)誕生、行星系統(tǒng)與生命起源。

  首先,紅外波段適合觀測那些遙遠(yuǎn)的天體,韋布的一項(xiàng)重要任務(wù)就是了解宇宙的早期歷史。光速是有限的,光線穿過遙遠(yuǎn)的距離需要時間。太陽光需要8分鐘才能抵達(dá)地球,所以我們在地球上看到的是8分鐘前的太陽;近鄰星系發(fā)出的光線需要千萬年才能抵達(dá)太陽系,我們看到的也是它們千萬年前的樣子。從這個意義上來說,宇宙就像一座時間展覽館:我們看得越遠(yuǎn),看到的展品就越古老。

  我們平時觀測的近鄰星系,紅移基本都在0.1以下;紅移2到3,就被天文學(xué)家稱作是高紅移星系,已經(jīng)相當(dāng)難以探測了。而韋布預(yù)計(jì)將看到紅移接近20的初代星系,它們極其遙遠(yuǎn),韋布觀測到的光,是宇宙才剛剛誕生不到2億年的時候發(fā)出的。在韋布發(fā)布的第一批數(shù)據(jù)里,天文學(xué)家就已經(jīng)探測到紅移10左右的星系了。更深場的積分甚至有望追溯到宇宙再電離時期,那是宇宙中的第一縷曙光。

  其次,韋布能夠直接看到星系中那些誕生恒星的巨大塵埃云,而這些云對哈勃等光學(xué)望遠(yuǎn)鏡而言是不透明的。包括太陽在內(nèi)的恒星,正是由這樣的星云坍縮形成,但其具體過程我們卻還未弄懂。不僅如此,韋布甚至能直接看到行星形成過程中存在的原行星盤,從而讓我們更加了解原始行星系的形成。

  再次,韋布擁有驚人的分辨率和靈敏度,那么當(dāng)它注視那些較近的星系時,必將揭示出細(xì)節(jié)異常豐富的形態(tài)和光譜信息。我們已經(jīng)知道,星系分為若干類型,它們的組成成分不同,彼此之間也存在著演化關(guān)系。通過巡天獲得大量星系數(shù)據(jù),韋布有望回答一系列關(guān)鍵問題,例如黑洞如何影響宿主星系、星系的形態(tài)是怎么產(chǎn)生的、化學(xué)元素在星系中如何分布……

  最后,太空中是否有其他生命也是韋布的關(guān)注點(diǎn)。當(dāng)系外行星從母星前經(jīng)過時,大氣層中特定的元素將會吸收母星發(fā)出的光。韋布探測到這種吸收光譜,便可以得知系外行星的大氣成分。在發(fā)布的首批照片中,天文學(xué)家已經(jīng)證明了一顆系外行星中具有水分子。有朝一日,我們或許會在系外行星大氣中探測到更多“生物印記”——例如甲烷、氧氣等,它們暗示著地外生命存在的可能性。韋布還將調(diào)查太陽系內(nèi)的天體:彗星、小行星、冰衛(wèi)星等……熟悉了我們的“鄰居”,我們對自己的起源也會有更深的理解。

  與韋布同期,中國的空間天文事業(yè)也在蓬勃發(fā)展?!拔蚩铡碧柊滴镔|(zhì)粒子探測衛(wèi)星、“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星等取得了優(yōu)異成果,中國空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡、愛因斯坦探針衛(wèi)星等一批先進(jìn)設(shè)備也正在籌劃中。然而,我們至今還沒有自己的紅外天文衛(wèi)星,在天文儀器研發(fā)的人才儲備、紅外探測器的工藝,以及設(shè)計(jì)決策等層面,也都還有一定差距。

  如果將宇宙比作一座寶庫,韋布的首批照片只不過是站在大門口的一瞥。在接下來的太空之旅中,韋布必將向人類展示宇宙的更多珍寶。我們也更希望有朝一日能看到中國自己的紅外空間望遠(yuǎn)鏡翱翔天際,向太空投去屬于我們的目光。

(責(zé)編: 常邦麗)

版權(quán)聲明:凡注明“來源:中國西藏網(wǎng)”或“中國西藏網(wǎng)文”的所有作品,版權(quán)歸高原(北京)文化傳播有限公司。任何媒體轉(zhuǎn)載、摘編、引用,須注明來源中國西藏網(wǎng)和署著作者名,否則將追究相關(guān)法律責(zé)任。