耗资100亿、鸽了14年,哈勃望远镜的“继任者”终于上岗

智东西·2021-12-27 08:41
“鸽王”韦布望远镜发射成功,将替哈勃看太空,明年夏天或传回第一张照片。

在经历了近25年的探索和多次推迟后,北京时间12月25日20点20分,哈勃望远镜“继任者”美国国家航空航天局(NASA)的詹姆斯·韦布空间望远镜终于点火发射,正式开启自己的太空之旅。

在未来的几个月,这个人类历史上最大、耗资近100亿美元的太空天文台将飞到地球和太阳之间的引力平衡点,展开折叠的天线、遮阳板、镜片,对宇宙起源进行探索。

詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,缩写为JWST,简称:韦布空间望远镜)原计划于2007年发射,它的“前辈”哈勃空间望远镜于1990年成功发射,曾在2019年传回了迄今最完整的7500张星空照片拼接而成的宇宙图谱。

作为一个资深“鸽王”,韦布空间望远镜的发射时间是一拖再拖,从2007年,一直拖到现在。相比哈勃空间望远镜不过600公里的离地高度,“新官上任”的韦布空间望远镜将飞行到距地球约150万公里的位置,这大约是地球到月球距离的4倍,其灵敏度是哈勃的100倍,预计将观测到136亿年前宇宙诞生的第一批星系所发出的光。

注:根据天文学名词审定委员确定的望远镜中文名称,本文将James Webb Space Telescope译为詹姆斯·韦布空间望远镜。

01飞离地球,韦布望远镜将奔向150万公里外的星空

北京时间12月25日20点03分,多次推迟发射的韦布空间望远镜终于进入发射前最后准备阶段。这一太空望远镜项目集结了NASA、欧洲航天局和加拿大航天局三大航天局的技术力量。

▲装载韦布空间望远镜的阿丽亚娜5号火箭已经准备就绪,技术人员密切关注火箭的各种情况

在位于南美洲的法属圭亚那的欧洲太空港,技术人员密切关注着韦布空间望远镜的各种仪器和参数,等待着发射指令的到来。

▲韦布空间望远镜被安装在阿丽亚娜5号火箭上(来源:欧洲航天局)

本次发射使用的是法国大型火箭企业阿丽亚娜航天公司(ArianeGroup)的阿丽亚娜5号(Ariane 5)火箭,通过火箭适配器,韦布空间望远镜被安装在阿丽亚娜5号火箭的上级面。

北京时 间20点20分,阿丽亚娜5号火箭开始点火发射,火箭以近乎垂直的状态迅速爬升。

大约2分钟后,火箭助推器和阿丽亚娜5号火箭分离,助推器坠入大西洋,火箭继续飞升。

紧接着,飞出大气层的阿丽亚娜5号火箭打开并分离保护韦布望远镜等载荷的整流罩。

地面团队在发射后大约五分钟开始接收从韦布空间望远镜发来的遥测数据。

大约北京时间20点28分,一级火箭开始进行分离,上面级运载火箭携带着韦布空间望远镜奔向离地球更遥远的太空。

在调整到合适姿态后,发射后约27分钟时,韦布空间望远镜开始与上面级运载火箭进行分离。

大约在北京时间20点50分,韦布空间望远镜上的太阳能电池阵列开始自动部署,韦布空间望远镜终于取得了第一阶段的成功,不过未来,它还会迎来诸多挑战。

发射12小时后,韦布空间望远镜会进行第一次轨迹修正机动,大概北京时间12月28日8点20分时,韦布空间望远镜会进行第二次轨迹修正。技术人员将持续跟踪韦布空间望远镜的运行状态。

▲韦布望远镜发射前和前30分钟发射过程(来源:欧洲航天局)

在接下来的近一个月里,韦布空间望远镜会逐渐展开并调整状态,在太空中进行一系列比试验时任何测试都更为复杂的运动,据技术人员估算,韦布空间望远镜至少有344个潜在的故障点位,远离任何宇航员或机器人的帮助,韦布空间望远镜的未来充满未知。

▲韦布空间望远镜预计会飞到L2点,然后开始绕日运行(来源:欧洲航天局)

最终,韦布空间望远镜将飞过月球轨道,达到其目的地:第二拉格朗日点(L2)。该轨道距离地球约150万公里,在那里各种星体引力相互作用,韦布空间望远镜将在该轨道上稳定绕日运行。接下来,天文学家将花费6个月的时间调整、测试和校准韦布空间望远镜这只用来看宇宙的新“眼睛”。

韦布空间望远镜展开和姿态调整的第一步是弹出天线,并将天线瞄准地球,从而实现韦布空间望远镜和地球的通信。

然后,韦布空间望远镜会打开网球场大小的遮阳板支架,接下来打开的是由五层称为Kapton的轻质塑料薄片制成的遮阳板,让韦布空间望远镜逐渐降温。

最后,18个镀有金的铍材料制成的六角形镜片会重新进行组合,形成一个6.5米宽的分段镜子。

韦布空间望远镜任务预计会持续5到10年,NASA预计该望远镜会在2022年夏天拍摄出第一张科学照片。

02一个网球场大小的望远镜捕捉136亿年前星象

詹姆斯·韦布空间望远镜名字来源于NASA第二任局长詹姆斯·韦布,他曾领导美国阿波罗登月计划。

韦布空间望远镜占地面积足足有一个网球场那么大,发射质量约6200公斤,包括天基部分(天文台)、在轨耗材和运载火箭适配器。

▲韦布空间望远镜(来源:欧洲航天局)

天基部分(天文台)是韦布空间望远镜的功能主体部分,由光学望远镜元件、综合科学仪器模块、遮阳板和航天器支持系统组成。

▲韦布空间望远镜结构示意图(来源:欧洲航天局)

光学望远镜元件由多级镜片构成,包括18个独立六边形镀有黄金的超轻铍材料制成的主镜、多个直径0.74米的圆形次镜,以及包含在尾部的光学子系统中三级反射镜和精细转向镜。

▲技术人员正在安装中红外仪器和近红外相机(来源:NASA)

综合科学仪器模块由近红外光谱仪(NIRSPEC)、中红外仪器(MIRI)、近红外相机(NIRCam)、近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS)等组成,帮助韦布空间望远镜进行分析和成像。

▲韦布空间望远镜技术人员在升级、调试近红外光谱仪近红外成像仪和无缝隙光谱仪模块(来源:NASA)

这些设备是韦布空间望远镜的核心元件之一,可以探测到更多的光。由于宇宙的膨胀,那些宇宙中诞生最早的恒星和星系正在以非常快的速度远离地球,这些恒星和星系发出的光也就转换到更长、更红的波长上。130亿年前从一个“婴儿”星系发出的蓝光,在如今到达我们地球人类面前时,已经扩展成不可见的红外波长,也就是热辐射。

为了探测这些微弱的辐射,韦布空间望远镜的温度必须非常低,大概是比绝对零度高不到45摄氏度,这样韦布空间望远镜的热量就不会干扰被探测到的热量,也正是因为这个原因,遮阳板将在永久寒冷的黑暗中遮蔽着韦布空间望远镜。

22×12米的五层遮阳板将韦布空间望远镜的天基部分隔成2部分,一部分是航天器所在朝阳侧,一部分是需要超低温度的防日晒侧。遮阳板将韦布空间望远镜和仪器永久保持在阴凉侧,使其温度降至-233摄氏度。中红外仪器将通过使用创新的冷却系统,将其温度降至-266摄氏度。

除了观测太阳系、为科研人员提供新见解之外,据美国国家航天局(NASA)称,韦布空间望远镜的视野将超越哈勃空间望远镜所能看到的范围,并可以捕捉到136亿多年前出现的一些第一批恒星和星系的图像。

03观测能力是哈勃的100倍还能看不可见光

哈勃空间望远镜是人类历史上最重要的天文太空望远镜之一,而韦布空间望远镜的太空观测灵敏度是哈勃空间望远镜的100倍。

▲哈勃空间望远镜(来源:NASA)

据韦布空间望远镜项目跨学科科学家的罗吉尔·温德霍斯特介绍,从1990年发射,到现在哈勃空间望远镜拍摄了超过150万张照片,帮助人类确定宇宙的年龄有138亿年,并扩展了科研人员对行星如何形成的理解。

▲哈勃空间望远镜近期拍摄的照片(来源:NASA)

但哈勃空间望远镜的设计初衷是捕捉可见光,不过可见光仅是恒星和其他天体发出光谱的一小部分,相比之下,韦布空间望远镜可以捕获一系列人眼看不到的红外线。

▲韦布空间望远镜和哈勃空间望远镜观测的光线波长范围(来源:NASA)

人眼可看到的光的波长范围是380-700nm,哈勃空间望远镜可观测到90-2500nm范围内的光(紫外线到近红外光),而韦布空间望远镜能看到波长范围在600-28500nm的光线(可见光到中红外光),覆盖范围更大。

▲可见光和红外视觉拍摄的恒星图片存在差异,红外照片能看到更多细节(来源:NASA)

NASA曾经在2004年发布了哈勃空间望远镜拍摄的超深场照片(Hubble’s Ultra Deep Field),震惊了全世界,该照片显示了130亿年前或者说宇宙开始后10亿年内诞生的星系。

▲哈勃空间望远镜拍摄的超深场照片(来源:NASA)

哈勃空间望远镜拍摄的这张照片显示了10000个光芒微弱的星系,还包括一个几乎肉眼看不见的红色斑点,这个红色斑点其实是哈勃空间望远镜捕获到的一个遥远星系发出的光形成的影像,这些星系的历史可以追溯到宇宙大爆炸后的4.1亿年到13.4万亿年前,温德霍斯特曾这样形容哈勃空间望远镜发现星系的能力,就像是在地球用肉眼看月球上的萤火虫。

韦布空间望远镜的能力更强,通过结合其装备的红外探测器和大型镜片,韦布空间望远镜能够更详细地追踪那个哈勃空间望远镜拍到的红色斑点以及天空中的许多其他“斑点”。

通过韦布空间望远镜,人类能够发现新的恒星和行星,因为韦布空间望远镜可以感应到红外线,而红外线是可以穿透气体和尘埃云的,被气体和尘埃云遮住的星体有可能被发现。

▲韦布空间望远镜和哈勃空间望远镜的尺寸比较(来源:NASA)

望远镜的镜片越大,它可以收集的光线越多,捕获的图像就越清晰,韦布空间望远镜的镀金镜片宽度为6.5米,是哈勃空间望远镜镜片宽度的3倍,这意味着韦布空间望远镜可以捕获非常详细的图像,例如拍到24英里之外一美分硬币上亚伯拉罕·林肯的脸。

此外,韦布空间望远镜要探测宇宙星系发出的红外线,而任何绝对零度以上的物体都会发出红外线,为了避免离太阳和地球过近影响宇宙观测,韦布空间望远镜的运行轨道离地球更远,不像哈勃空间望远镜是在离地球非常近的轨道上运行的。

04探索25年堪称“鸽王”,耗费100亿美元

早在1990年哈勃空间望远镜发射之前,天文学家就在争论接下来发射的空间望远镜是什么样的。

在1993年,NASA要求美国一个天文学家委员会来确定这些内容。

该委员会提议建造一台强大到足以看到宇宙中第一批恒星和星系的下一代空间望远镜,望远镜的直径至少要4米(哈勃空间望远镜镜片直径是2.4米),对红外辐射高度敏感,并且需要10亿美元的建设费用。

1995年,这个委员会主席德雷斯勒就这些建议向时任NASA局长的丹·戈尔丁作了简报。

丹·戈尔丁担心4米宽的望远镜的敏锐度不足以探测到第一批恒星,1996年,他参见美国天文学会的一次会议时,说德雷斯勒和他的天文学委员会过于谨慎,丹提到新的望远镜将会有8米宽,在功率、成本和开发时间上都会有一个巨大的飞跃。望远镜的尺寸增加了一倍,无法安装在任何现有的火箭上,这意味着望远镜的镜片必须是可折叠的,并且还必须能在太空中自行组装。

韦布空间望远镜在1996年正式启动,并开始了漫长的建造和测试过程。最终NASA定下来韦布空间望远镜的宽度是6.5米,几乎是哈勃空间望远镜的三倍,收集光线的能力也提升了,是哈勃空间望远镜的7倍。

但是开发和建造韦布空间望远镜还充满着各种挑战。

最开始,韦布空间望远镜的预算是5亿美元,后来,预计耗资50亿美元,但最终,到目前,韦布空间望远镜耗时25年,花费将近100亿美元,才终于通过检测,成功发射,比最初计划的2007年,晚了14年。

其中设计可折叠的望远镜镜片和遮阳板尤为困难,2018年时,遮阳板在展开过程测试中被撕破,韦布空间望远镜项目再次受挫。

▲韦布空间望远镜乘运输船到达法属圭亚那欧洲太空港(来源:加拿大航天局)

终于在2021年,韦布空间望远镜准备就绪,2021年10月时,韦布空间望远镜乘运输船到达本次发射地法属圭亚那欧洲太空港,不过当技术人员准备将其和火箭适配器连接时,一个夹子意外松开,整个装置剧烈震动,为了检测是否有影响,发射日期再次推迟。

当地时间2021年12月14日,NASA再次声明称,韦布空间望远镜存在望远镜和运载火箭系统通信问题,使韦布空间望远镜的发射再次被推迟。不过,在技术人员的努力下,问题顺利解决,12月25日,韦布空间望远镜正式飞向太空,开始它的观测之旅。

05结语:太空观测新时代大幕拉开

从韦布空间望远镜的建造历程来看,太空望远镜的建设除了需要大量资金支持外,技术门槛也非常多。

观测宇宙星系,太空望远镜是不可或缺的重要设备。不止美国、欧洲,中国也在建造自己的宇宙之眼,未来,中国计划发射巡天空间望远镜,发现更多未知天体。

随着韦布空间望远镜以及未来更多的太空望远镜发射成功,将会有更多以前拍摄不到的宇宙图景被一一解开。

本文来自微信公众号“智东西”(ID:zhidxcom),作者:杨畅 ,编辑:心缘,36氪经授权发布。

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