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继哈勃太空望远镜之后,詹姆斯韦伯太空望远镜究竟有多牛?

2020/7/11 22:13:07 来源:原创 浏览:

天文学的未来:美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜

每增加一英寸的光圈,每增加一秒钟的观察时间,每减少一个望远镜的视野中的大气干扰原子,你就能更好、更深入、更清晰地看到宇宙。当哈勃太空望远镜在1990年开始运行时,它开启了天文学的一个新时代:太空天文学的时代。我们不再需要与大气层作斗争;我们不再需要担心云;电磁闪烁不再是一个问题。我们所需要做的就是把望远镜对准目标,稳定它,然后收集光子。从那以后的25年里,我们开始用我们的太空天文台覆盖整个电磁光谱,第一次真正看到了宇宙在每个波长的光线下是什么样子。

图片来源:NASA/JPL,维基共享用户Bricktop。

但随着我们知识的增长,我们对未知事物的复杂理解也在增长。我们在宇宙中看得越远,我们所需的观测时间就越长:大爆炸后有限的时间和有限的光速使我们目前所能看到的是有限的。此外,空间本身的膨胀也会对我们产生不利影响,因为当星体发出的光线穿过宇宙到达我们的眼睛时,其波长会被拉长。即使是哈勃太空望远镜,它让我们看到宇宙中最遥远,最壮观的景象也是有限的。

GOODS-South field(哈勃组件)。图片来源:NASA,ESA。

R. Windhorst, S. Cohen, M. Mechtley, M. Rutkowski(亚利桑那州立大学,坦佩分校),R. O'Connell(弗吉尼亚大学),P. McCarthy(卡内基天文台),N. Hathi(加州大学河滨分校),R. Ryan(加州大学戴维斯分校),H. Yan(俄亥俄州立大学)和A. Koekemoer(太空望远镜科学研究所)。

哈勃是一个神奇的设备,但它在很多方面都受到了根本性的限制:

  • 哈勃望远镜的直径只有2.4米,这限制了它的分辨率。
  • 尽管哈勃望远镜包裹着反光材料,仍然长时间暴露在太阳直射下,接受阳光带来的热量。由于热效应,它无法观察到波长超过1.6微米的光。
  • 对光线收集的有限性和对波长的灵敏度意味着哈勃只能“看到”那些大约5亿年前的星系。

现在,我们所观测到的那些星系美丽又遥远,那个年龄宇宙只有现在的4%的时候。但我们知道,恒星和星系甚至在更早的时代就已经存在了。

如果我们想要看到这些恒星和星系,我们需要更高的敏感度。这意味着在更低的温度下,使用比哈勃更大的望远镜,从太空中获取更长的波长。这就我们要建造詹姆斯·韦伯太空望远镜的原因。

图片来源:NASA / JWST / HST团队。

詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)正是为了克服这些限制而设计的:聚光面积6.5米直径(聚光能力是哈勃望远镜7倍),可达到从600纳米到6微米的超高光谱分辨能力 (大约是哈勃望远镜能捕捉到的波长的四倍), 进行中红外观测的能力比以往任何时候都要高,既可以被动地将所有东西冷却到冥王星的温度以下,也可以主动地将中红外仪器冷却到只有7K,詹姆斯韦伯太空望远镜应该能够完成无人能及的科学工作。

图片来源:NASA / JWST团队。

特别是,可以完成以下任务:

  • 观察最早形成的星系,
  • 透过中性气体,探索第一代恒星和宇宙的再电离,
  • 对大爆炸后形成的第一批恒星(第三类恒星)进行光谱分析,
  • 可能还会有一些惊人的发现,比如发现宇宙中最早的超大质量黑洞和类星体是如何形成的。

我们从JWST中得到的科学是我们从未学过的,这就是为什么它被选为NASA在2010年以来这十年最特别的任务。

从技术的角度来看,JWST是一件令人难以置信的作品,所有这些完美地结合在一起。那些已经关注它很长时间的人,在你们的脑海中,可能已经有了一个遥远的记忆,关于这个项目是如何超出预算,落后于计划,并有被取消的危险。然而,当新的管理层介入时,一切都变了。项目管理突然变得非常严格,为错误、误差、挫折和挑战制定了许可和预算,到目前为止,JWST团队已经完成了每个最后期限,并在预算内按时完成了每个交付。他们计划在2018年发射,他们不仅按时发射,他们还有9个月的缓冲时间,当他们计划组装好所有东西并准备发射时。JWST有四个主要部分,下面是每个部分的状态。

图片来源:NASA

1)光学元件组成。这包括所有的反光镜;最引人注目的是十八个初级的分割的金色镜子,它们将被用来收集远处的星光,并对其进行聚焦以供仪器分析。这些反光镜目前都是完整和完美的,并在正确的时间表,直到安装进行。(上图所示的14号镜子是1月19日刚刚安装的。)当一切完成后,这些镜子将被折叠成一个封装的阵列,从地球发射到L2拉格朗日点100多万公里,然后自动展开,形成一个蜂巢状的结构,在未来几年里收集超遥远的光。这确实是一件美丽的事情,也是许多人努力工作的成果。

2)科学仪器。这里有四个,它们都是100%完成的!它们是:

近红外摄像机,詹姆斯韦伯的主要成像摄像机。延长超过一个数量级的波长,从可见,橙光深入红外线,它应该能给我们前所未有的观点最早的恒星,最年轻的星系形成过程中, 银河系和附近星系中的年轻恒星,柯伊伯带有数百个新天体,以及用于优化其他恒星周围行星的直接成像直接。这将是JWST上大多数观察者使用的主要摄像机。

图片来源:Astrium / NIRSpec / GSFC / NASA / ESA。

近红外摄谱仪,它不仅能将单个物体发出的光分解成不同的波长,还能在一张图像中同时处理100多个不同的物体。这个主要元件就是韦伯通用摄谱仪,能够运行三种不同模式的光谱学。它由欧洲航天局建造,但有许多组件,包括探测器和多快门阵列,由戈达德太空飞行中心/美国宇航局提供。这台仪器经过了严格的测试,是完整的。

图片来源:Rutherford Appleton实验室,MIRI欧洲联盟和JPL。

中红外仪器,是一个最有用的广域宽带成像,这意味着它将返回韦伯所有仪器中最引人注目的视觉图像。从科学的角度来说,这是测量年轻恒星周围的原行星盘最有效的方法,并以前所未有的精度测量/成像柯伊伯带天体以及被星光加热的尘埃。这将是唯一的低温仪器。冷却:降到7k。这将比斯皮策太空望远镜观测到的结果提高100倍。

图片来源:John A. Brebner传播研究中心。

四种仪器中的最后一个,近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS),可允许韦伯在近红外波长(1.0~2.5微米)下进行宽场光谱分析;可见光和红外波段(0.6~3.0微米)的单目标光谱分析;3.8 - 4.8微米(我们期望看到的第一个恒星和星系的位置)之间的孔径掩蔽干涉测量;以及整个视野的宽带成像。这是唯一一个由加拿大航天局建造的仪器,在通过低温测试后,它也是完整的,集成在整个仪器模块中。

詹姆斯韦伯太空望远镜的遮阳板。图片来源:Alex Evers/Northrop Grumman。

3)遮阳板。这是新的!这是任何任务中最可怕的部分之一:全新的东西。JWST并没有使用某种一次性/消耗性的冷却剂来主动冷却整个航天器,而是使用了一种全新的技术:5层的遮阳板,它将部署并阻挡来自整个航天器的太阳热量。这五个25米长的薄片将由钛棒固定在适当的位置,当整个宇宙飞船展开时,钛棒将展开。遮阳板在2008年和2009年进行了广泛的测试,实验室测试的全尺寸模型已经通过了他们在地球上经受的所有考验。这真是一种创新的美。

同时还有一个令人难以置信的概念:你不只是阻挡来自太阳的光,把望远镜放在阴影里,你要确保所有的热量都朝着与望远镜相反的方向放射出去!空间真空中的五层结构意味着每一层进行层在接近平衡时温度会越来越低。而最外层是相当温暖的比地球的表面温度350 - 360 K左右,到最后的第五层,温度应该37-40 K左右,或在夜间温度比冥王星的表面。

最后,还有一些重大的预防措施,以防止深空的灾难性环境。你看,每个人都需要担心的一件事就是小石头——卵石大小的,沙粒大小的,尘粒大小的,甚至更小的——它们以每小时数万甚至数十万英里的速度在星际空间中飞来飞去。这些微粒可以撕裂和冲击他们遇到一切物体形成微小的的洞:宇宙飞船的外壳,太空服,望远镜的反光镜等等。虽然反光镜只会被弄凹或弄暗,稍微减少“有效光线”的数量,但遮阳板可能会从头到尾的撕裂,使整个层变得毫无用处。所以针对这一点,他们设计了一些明智的解决方案来应对此事。

遮阳板某一层结构的特写。注意这个样式,它不是一个连续的物质。图片来源:Alex Evers/Northrop Grumman。

他们把挡风玻璃的每一块都分割开来,这样一来,如果一小片、两片甚至三片出现裂缝,也不一定会像汽车挡风玻璃上的裂缝那样扩散开来,从而使整个玻璃层变得毫无用处。相反,切片应该保持整体结构的完整,这是防止退化的一个重要预防措施。

4)航天器总线、装配和控制系统。这实际上是最常规的组件,因为所有的太空望远镜和科学任务都需要这些。JWST将是唯一的,并且也完全准备好了。我们所需要做的就是完成遮阳板,反光镜的安装,把所有的东西和适当的测试放在一起,我们将在两年内准备好发布。

图片来源:NASA和詹姆斯韦伯团队。

如果一切顺利,我们将迎来下一个伟大的科学飞跃。中性气体的帷幕——目前遮蔽了我们对最早的恒星和星系的观察——将被这台望远镜的红外能力和来自太空的巨大聚光能力实现。它将是有史以来最大、最灵敏、波长范围最广的望远镜,波长范围从0.6微米到28微米(人眼能看到0.4到0.7微米的范围)。如果它发射、部署和运行正常,就像预期的那样,我们可以得到整整十年的观测数据。

根据美国航空航天局的说明,韦伯发射后的任务寿命将在5年半到10年之间。其寿命受到维持轨道所需燃料的数量以及太空恶劣环境中电子设备和硬件的寿命的限制。韦伯将携带10年寿命的燃料;该项目将在发射后6个月的调试期结束时进行任务保证测试,以保证5年的科学运行。

主要的限制因素是维持望远镜在轨道上运行和精确瞄准目标所需的机载燃料量。当燃料耗尽时,它会偏离L2拉格朗日点,进入地球附近的混沌轨道。

图片来源:NASA / WMAP团队

其他可能失败的事情有:

  • 反光镜的失效,这将影响聚集的光线,将创建图像的工件,但仍允许使用望远镜,
  • 部分或全部遮光罩的缺陷,这将增加望远镜的温度,并将可用的波长波段缩小到非常近的红外波段(只有2-3微米),
  • 以及中红外仪器上的冷却剂,它是消耗品;这将使中红外仪器不能使用,但不会影响其他仪器(0.6至6微米)。

最糟糕的情况是望远镜发射或部署不当,而这正是测试(顺便说一下,通过了测试)所不能保证的。


2013年8月詹姆斯韦伯太空望远镜壁画图像。(渲染图像) 来源:诺斯罗普·格鲁曼公司

如果詹姆斯韦伯太空望远镜是正常工作,它携带足够的燃料以确保从2018年到2028年运行, 尽管这从未实现过,但机器人(或宇航员,如果届时技术得到发展)再次执行L2任务的潜力是存在的,这将使望远镜的寿命再延长10年。就像哈勃已经运作了25年,而且还在继续运作,JWST可能会给我们带来一代革命性的科学,如果事情进展顺利的话。这是天文学的未来,经过十多年的努力,现在几乎是时候实现它了。太空望远镜的未来就在眼前!

作者: Starts With A Bang

FY: J.Smiley

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