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看得更远:詹姆斯韦伯望远镜

  
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姆斯韦伯望远镜将会系继哈勃太天空望远镜,人类发射上太天空更加先进而锐利的仪器。

近日,据美媒报道,美国研制的詹姆斯·韦伯太空望远镜的第12块镜片已安装在望远镜构架上,标志着韦伯太空望远镜分块主镜的安装已经过半,全部18块镜片安装工作预计在今年上半年完成。

这意味着,耗资近90亿美元的韦伯太空望远镜离2018年发射更近了一步。那么,截至目前,人类发射过哪些太空望远镜?哈勃望远镜和韦伯望远镜的使命又有哪些不同?

太空功勋 哈勃望远镜

1990年发射升空的哈勃太空望远镜,从某种意义上讲,它是美国KH-11锁眼卫星军转民的产物,它运行在距离地面550公里高度的轨道上,其口径2.4米,焦距57.6米,观测范围覆盖从近红外、可见光到紫外波段。该望远镜设计寿命15年,时至今日,它已经在太空走过了25个春秋。

截至目前,哈勃望远镜拍摄了大量精彩和重要的天文照片,例如,它在1994年拍摄了苏梅克-列维9号彗星撞击木星,在此之后还拍摄到了冥王星的新卫星和更遥远的阋神星,以及鹰状星云著名的创生之柱及其他星云和星系的壮观图像等,拍到了地面望远镜无法拍摄到的天文景象。

另外,哈勃望远镜还对黑洞、类星体和活动星系的研究作出了巨大贡献。有了哈勃望远镜,天文学家发现了宇宙加速膨胀的事实,通过对星系碰撞的观测,科学家发现暗物质的相互作用比人类想象的更加微弱。

总之,哈勃太空望远镜让人类天文学走入了空间天文的时代,填补了地面观测能力的空白,大大扩展了天文学的视野。同时,它也是人类有史以来最重要的天文观测设备之一,是空间天文学发展史上不朽的丰碑。

“哈勃”并不寂寞

虽然“哈勃”是人类研制的最著名太空望远镜,但绝非是唯一的太空望远镜。在哈勃望远镜发射升空后不久,美国又陆续发射了康普顿伽马射线天文台、钱德拉X 射线天文台和斯皮策红外太空望远镜三部天文观测设备,除了康普顿望远镜由于陀螺仪故障,过早地再入大气层坠毁外,其他两部望远镜目前仍在太空正常工作。

其中,钱德拉望远镜具有很高的空间分辨率和光谱分辨率,可将观测范围扩展到X波段;斯皮策望远镜工作在红外波段,可以寻找地外行星和观测遥远过去星系红移后的星光。

此外,美国还发射过一批低成本望远镜,最著名的当属开普勒太空望远镜和广域红外巡天望远镜,虽然它们的口径不大,却在探测系外行星和近地小行星方面取得了很大成就。

另外,欧空局在太空望远镜研制上也做出了很大贡献,其中,最著名的是赫歇尔太空望远镜和普朗克卫星,目前它们都部署在位于日地L2轨道上,前者的口径是3.5米,是有史以来最大的太空红外望远镜,主要用于研究宇宙恒星和星系的形成与演化,后者用于获取宇宙微波背景辐射。目前,欧空局还正在研制欧几里得太空望远镜,用于暗物质和暗能量的研究。

运行在太空的哈勃望远镜

“韦伯”接力只为探测更远

韦伯望远镜是美国宇航局哈勃太空望远镜的后继者,它将是有史以来人类建造的最大太空望远镜。该望远镜由美国宇航局领导,包括欧空局、加拿大空间局一起参与的项目。严格地说,韦伯望远镜与哈勃望远镜并非谁取代谁的关系。由于用途和波段的不同,也让韦伯望远镜和哈勃望远镜在设计上大相径庭。

如果说,哈勃望远镜采用的大镜筒还停留在我们对望远镜的传统印象,那么,韦伯望远镜则采用了十分独特的反射结构,这也是理想与现实妥协的结果。为了加强聚光能力和分辨率,韦伯望远镜的设计口径达到了6.5米,是哈勃2.4米口径的3倍。

由于口径太大,目前没有任何一种运载工具可以将6.5 米的大镜筒送入太空,因此韦伯望远镜使用了折叠结构,18块直径1.3米的6边形镜片拼合为一个6.5米的望远镜,发射时将镜片折叠起来,当望远镜进入太空后再展开。同时,韦伯望远镜还进行了减重,其发射质量只有6.5吨,比哈勃望远镜的发射质量减轻了一半。

此外,哈勃望远镜主要的观测波段是可见光,因此它可以在近地轨道上运行,加之镜头前有遮光罩,即使在阳光暴晒下也不会受到大的影响。

相反,为了观测第一代恒星,收集它们位于近红外和中红外波段的微弱光线,韦伯望远镜需要极为苛刻的超低温环境,否则在自身受热后,其释放出的红外线就会对观测构成干扰。因此,韦伯望远镜需要维持在高于零下50摄氏度的低温环境。

为了维持这样的超低温环境,韦伯望远镜将被置于距离地球150万公里外的日地L2点的晕轨道上,这里不仅避开了地球和月球的阴影,为望远镜提供了更好的观测条件,更重要的是晕轨道与日地的相对位置稳定,可以方便调整遮阳板方向,有效地屏蔽来自太阳和地球的热辐射。

此外,独特的轨道设计也对韦伯望远镜提出了很高的要求。众所周知,哈勃望远镜服役25年来,美国使用航天飞机对哈勃望远镜进行了多次在轨维护,但韦伯望远镜置于距离地球150万公里外的L2晕轨道上,这里是人类从未涉足的深空,这就需要它具有很高的可靠性,保证在设计寿命内稳定工作,否则韦伯望远镜一旦出现问题,那科研人员就只能干瞪眼了。

或许是哈勃望远镜超期服役带来的乐观情绪,工程师们相信韦伯望远镜能工作得更久,或许未来人类的脚步会走到L2轨道,因此韦伯望远镜在设计时还预留了一个与其他航天器进行对接的端口。

不过,虽然美国宇航局将在2018年发射韦伯望远镜,但也有人认为,该望远镜在未来3年时间进行的各种测试,将会是太空望远镜进入轨道前的重要环节,直接决定其性能是否达到了要求。(尼摩)



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