来自网络的解说:鸽了14年 耗资上百亿美元 詹姆斯·韦伯太空望远镜终于成功升空了

北京时间12月25日20时20分,天文学界期盼已久的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)终于在法属圭亚那库鲁发射场升空。在发射约26分钟后,詹姆斯·韦伯望远镜顺利与阿丽亚娜5号火箭分离,开始为期29天的奔赴150万公里外预定轨道的飞行。

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欧美天文学界的圣诞礼物

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韦伯将在距离地球150万公里的拉格朗日2点(L2)处绕太阳运行,并与地球保持同步。

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按照计划,詹姆斯·韦伯望远镜将在约四周后被部署在太阳─地球的第二拉格朗日点(L2)附近,并绕着L2点的HALI轨道进行运行,那里处于地球背向太阳后方的150万公里处,是太阳和地球之间的引力平衡点,加上韦伯望远镜自带了一个大型遮阳板,可以保持望远镜的镜片和四个重要科学仪器运行温度长期低于50 K(约−220 °C),更好地进行天文学的观测。

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命名的由来

韦伯望远镜的全称叫詹姆斯·韦伯空间望远镜,英文名为James Webb Space Telescope,缩写为JWST,以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦布的名字命名。1961年至1968年,詹姆斯·韦布担任局长期间曾领导阿波罗计划等一系列美国重要的太空探测项目。

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并不是哈勃太空望远镜的继任者

与主业在可见光波段的哈勃望远镜不同,詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)是一艘主业在红外波段的空间望远镜,原计划耗费5亿美元并于2007年发射升空。但由于各种原因,导致项目严重超支,发射时间数次推迟,最终耗资超过百亿美元,并推迟了14年才得以升空,目前预定工作时间期限为10年,直到燃料和制冷剂消耗殆尽,但在首期任务期满后也许会人工加注继续延长服役。

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詹姆斯·韦伯太空望远镜口径达到了6.5米,重6.2吨,运行轨道距离地球150万公里;相比而言,哈勃望远镜的口径2.4米,重11吨,运行轨道只有575公里。韦伯望远镜口径是哈勃的2.7倍,聚光面积是哈勃的6.25倍。哈勃的主镜采用玻璃制造,而韦伯则采用金属铍,高度抛光,粗糙度控制在20纳米。口径加上精度,有人预测,韦伯的分辨率将会比哈勃高出100倍。

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发射前两天,詹姆斯韦伯太空望远镜整合进入阿丽亚娜5火箭整流罩前工作人员的合影镜像。

由于韦伯太空望远镜主镜的直径比阿丽亚娜5火箭整流罩的直径更大,无法直接包络在火箭内,因此主镜被分割成18块六角形的镜片,这些镜片由铍制成,每个镜面的抛光误差不超过10纳米;同时镜面也经过专门研磨,使得其能够在遮阳板阴影的极度严寒环境中保持正确形状。每块镜片背部都装有7个马达,能够在10纳米的精度内调整镜片的形状和方向。发射后这些镜片会在高精度的微型电动机和波面传感器的控制下展开。

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普通地面天文望远镜、哈勃超深空与詹姆斯·韦布太空望远镜成像距离对比(红字:红移值,白字:光与宇宙大爆炸的时间差)

我们熟悉的哈勃太空望远镜位于距离地表575公里的近地轨道上运行,因此在航天飞机时代,宇航员可以亲自前往哈勃望远镜进行故障处理。而詹姆斯‧韦布太空望远镜位于离地球150万公里的距离,即使出现故障也不可能频繁派遣宇航员前去处理。但由于太阳─地球的第二拉格朗日点(L2)重力相对稳定,韦伯望远镜相对来说可以保持运行轨道不变,不需要频繁地进行轨道修正,可以更稳定的进行观测,而且还不会受到地球轨道附近灰尘的影响。

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造价100亿美元(约600亿人民币)的望远镜这么吊着,任何人都会心一紧吧

哈勃望远镜1小时36分钟绕地球飞行一圈,因此时刻会暴露在太阳、地球和月亮的光芒中,为了保证观测,哈勃只能做一个巨大的镜筒遮光;而韦伯望远镜会与地球同步围绕着太阳公转,一年一圈,大多数时间躲在地球的阴影里,可以遮住太阳大部分光线,还有厚厚的遮阳板保证望远镜的工作环境。

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灵敏度是哈勃100倍 肩负四大使命

詹姆斯·韦伯望远镜由美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)共同研发,灵敏度是哈勃太空望远镜的100倍,并有望揭开135亿年前宇宙的早期模样。

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JWST原计划最初计划2007年发射,最初预算5亿美元,但按照NASA最新预算,詹姆斯·韦伯太空望远镜总计预算高达96.6亿美元。最终完成部署并运营,绝对超过100亿美元,绝对称得上史上最昂贵的太空望远镜!而哈勃太空望远镜最初预算47亿美元,发射升空20年后总计花费接近100亿美元。由于杰出的红外观测功能,韦伯太空望远镜将能够寻找系外行星水蒸气特征,从而提高NASA寻找和研究类地系外行星的能力。

哈勃望远镜运行近三十年来在很多方面改变了人类对宇宙的认识,但是哈勃望远镜上几部红外相机的灵敏度不够高,人们需要使用更高灵敏度的红外设备。由于宇宙膨胀,第一批天体的光线抵达望远镜时,已经偏向电磁光谱的红色一端。韦伯太空望远镜因此应运而生,它将让我们看到宇宙很年轻时的景象。韦伯太空望远镜能够专门在红外光谱下进行观测,并且拥有极高的灵敏度。因此,它有能力看得更远、更清晰,使我们能够以前所未有的便利性观测和研究宇宙。

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韦伯望远镜有四大使命:首先,它将尝试观测宇宙大爆炸后出现的第一批天体,例如星系、黑洞和超新星;其次,它将观测星系随时间如何生长;再次,它将观测恒星和行星系统在气体尘埃云内部如何形成;最后,它将观测其他恒星周围的行星以及我们身处的太阳系本身,了解这些天体系统的成长和演化历程,并帮助了解地球如何具备能提供生命繁衍生息的条件。

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韦伯望远镜任务徽章

欧空局也表示:韦伯太空望远镜提供的数据还将回答一些令人信服的问题:黑洞是如何形成和成长的,以及它们对早期宇宙的形成和演化有何影响。根据美国物理学会今年4月份的研究报告称,韦伯望远镜将能利用其搭载的仪器调查7颗可能宜居的系外行星的大气层,以寻找氨和其他可能的生命迹象,并有望在三天内给出结果。

诸多科学与工程领域的创新

在延期的这十四年时间内,科学家们在韦伯望远镜上进行了非常多工程学和科学领域的创新。比如巨大的“遮阳伞”结构,以及创造最低工作温度纪录的设备等。

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5层隔热结构

为让韦伯望远镜将捕捉红外光的能力发挥到最大限度,就必须尽可能减少主要来自太阳、地球和月球的光和热辐射干扰。为此,科学家们设计出了一种巨大的“遮阳伞”结构,这个“遮阳伞”与一个网球场大小相当,拥有5层隔热结构,层与层之间有间隙,这样,向阳一面温度可达110℃,经过遮光板的层层反射吸收和衰减,到达主镜时温度就能降到-223℃。为了保证近红外、中红外的观测环境,望远镜的冷却系统还可以将环境温度分别降到-234℃和266℃,能使远端的观测设备保持低温工作状态。

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在地面展开镜面的韦伯望远镜

150万公里的轨道高度让韦伯望远镜观测角度比哈勃好很多,可以帮助科学家揭示有关宇宙早期的一系列谜团。由于身处这样幽深寒冷的环境,韦伯望远镜将在接近绝对零度的条件下进行观测,其携带的一台设备将创造工作温度的最低纪录——零下267摄氏度。

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一旦出现故障 维修会非常困难

由于韦伯望远镜主镜由18个铍制成的六角形镜片组成,在进入太空后,这18个镜片将重新组合,并最大限度构成一个整体,协同发挥作用。如果这一功能无法实现,韦伯太空望远镜将很有可能成为在茫茫太空中漫无目的游荡的“盲人”,因为一旦进入太空,韦伯望远镜再进行维修会非常困难,而能够将宇航员送抵150万公里L2点的SLS火箭与猎户座飞船首飞不会早于2024年。

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科学家对韦伯的期望

科学家们对韦伯望远镜最大的期望是能够观测到接近宇宙起源处,从而检验标准宇宙模型的精确性,让人类对宇宙的认识更深刻。

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哈勃与韦伯望远镜观测波段的差异

现代标准宇宙模型理论认为,宇宙起源于138亿年前的大爆炸。宇宙中任何信息最快的传递速度就是光速,也就是说大爆炸的光传递到我们眼中需要138亿年,如果能够看到138亿年的宇宙,将是大爆炸那一刻的状态。由于宇宙膨胀,光线的传播会发生红移效应,就是向波长更长的光谱红端偏移。根据哈勃定律,距离越远,星系的退行速度越快,红移量就越大,因此,130多亿光年距离的光传递到地球,早就脱离可见光波段范围了,成为了红外线。

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韦伯望远镜的上面与底部

红外线波长越长,穿透宇宙尘埃的能力就越强,因此可见光望远镜无法观测到的远方天体,可以用红外望远镜观测到,要想更好观测宇宙早期天体,就必须提高红外波段的观测能力。红外线波长越长,穿透宇宙尘埃的能力就越强,因此可见光望远镜无法观测到的远方天体,可以用红外望远镜观测到,要想更好观测宇宙早期天体,就必须提高红外波段的观测能力。这就是韦伯望远镜如此重视红外波段的原因。哈勃望远镜观测到最远的星系距我们134亿光年,那是宇宙诞生后4亿多年的样子,这已经是哈勃的观测极限。科学家们相信,韦伯望远镜发射成功并正常工作后,有可能观测到距我们136亿光年的天体,获得宇宙诞生后2亿年左右的照片。这对验证我们已有的理论非常重要,不管是证实还是推翻了已成定论的标准模型,对人类来说,都将是一个巨大的进步。

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欧空局官方的韦伯望远镜发射任务海报

除此之外,韦伯在观测发现太阳系外行星,甚至地外生命和地外文明方面,也将发挥出比哈勃更强大的功能。可以预见,韦伯升空到达预定轨道后,将会带给人类一个又一个新的惊喜。

来源:综合科普中国,科技日报等内容。

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技术宅

别折腾了,WSA PacMan:让你更容易在Windows 11上运行Android应用

2021-12-25 14:26:51

技术宅

小硬盘Xcode用户的福音:DevCleaner

2021-12-26 1:04:44

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