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接棒哈勃,韦伯望远镜有多牛?韦伯望远镜发回第一批照片

7月12日,美国宇航局(NASA)展示了韦伯望远镜拍摄的第一批照片。韦伯是继哈勃之后的新一代大型天文望远镜,在去年12月25日发射升空。现在,在离开地球半年后,韦伯望远镜先后传回了第一批5张照片。

第一张,被命名为“韦伯第一深场”,这是迄今为止人类看到的最遥远、最清晰的宇宙图像,其中一些星系的光线行进了130亿年,才到达韦伯望远镜的镜面,要知道,宇宙大爆炸距今一共138亿年左右,也就是说,韦伯捕捉到了宇宙诞生初期的景象。

随后的几张照片中,韦伯找到了一颗有水的地外行星,距离我们1120光年;它还拍到了单个恒星诞生的镜头,以及几个星系剧烈撞击的“宇宙之舞”;捕捉到了恒星濒临死亡时发出的壮美光芒。用NASA局长的话说,韦伯拍到的每张照片都是一个新发现,每张照片都让人类看到了我们以前从未见过的宇宙。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

前面说了,韦伯望远镜是大名鼎鼎的哈勃望远镜的继任者。哈勃望远镜在1990年发射升空,勤勤恳恳工作了30多年,完成了150万次太空观测。现在,哈勃望远镜即将光荣退役,它的未竟事业由年轻后生韦伯望远镜接着干。

如果说哈勃的任务,是让人类能够有史以来第一次清晰地凝视宇宙深空;那么韦伯的目标就更进一步,是探索宇宙早期的秘密,找到那些最古老的恒星和星系,甚至尘埃和气体,从中推测宇宙诞生之初的形态,帮助天文学家理解宇宙诞生的过程。

为了完成这个更加困难的任务,韦伯望远镜跟前辈哈勃望远镜相比,做了哪些升级呢?正好,高爽老师在“天文学前沿报告”中,专门花了一讲来介绍韦伯望远镜,我挑其中的要点给你汇报一下。

顺便提一句,高爽老师在报告中把这个望远镜称作“詹姆斯·韦布空间望远镜”,这是经过天文学名词审定委员会审定的官方中文名,不过为了方便,咱们还是使用约定俗成的“韦伯望远镜”。

首先是体积更大。哈勃望远镜的口径是2.4米,韦伯望远镜则达到了6.5米;哈勃的接收面积是4.5平方米,韦伯一下子升级到了25.4平方米。望远镜的口径和接收面积越大,观测就越灵敏,更容易发现暗弱的、遥远的目标。

第二是飞得更高。哈勃望远镜距离地球只有600公里,属于低轨道。而韦伯望远镜要飞到离地球150万公里外的拉格朗日L2点,这个地点比月球还远上三四倍。

第三是看得更远。这里需要先补充一个知识点:因为宇宙在膨胀,遥远的天体都在远离我们,而且越远的天体远离的速度就越快。它们在高速远离的过程中向我们发射的光,波长会变得更长,这就是通常说的“红移”。那些离我们最远、处于宇宙边缘的天体,发过来的光“红移”最严重,直接从可见光变成了不可见的红外线。

哈勃望远镜观测的光线集中在可见光和紫外光上,只涉及很窄的红外光波段,所以它看不到太远的地方。如果哈勃望远镜观测宇宙最深处,只能看到一片漆黑。而韦伯望远镜能够观测更广谱的波段,覆盖了近红外、中红外,乃至远红外的波长范围,这让它能够看到宇宙中最遥远、也最古老的天体。

当然为了实现这个更大、更高、更远的全方位升级,韦伯望远镜必须攻克一系列技术难题。

比如,韦伯望远镜所在的拉格朗日L2点,不被太阳照射的时候,温度基本接近绝对零度,也就是零下273摄氏度。望远镜的镜片厚度如果稍不均匀,在热胀冷缩时就有碎裂的危险。这就对镜面的加工误差提出了严苛的要求,韦伯望远镜的镜面平整度达到了10纳米的误差之内,这个误差精度是一张A4纸厚度的万分之一,在加工工艺上是一项极限挑战。

再比如,太阳光会对望远镜的观测产生干扰,而高温会影响仪器寿命,韦伯望远镜需要一个高质量的遮阳罩。这个遮阳罩既要遮挡效果好,又要能够隔绝300摄氏度的高温,还要尽可能轻薄,减轻发射负担,真是典型的“既要、又要、还要”。

最终,韦伯望远镜携带的遮阳材料有五层结构,每一层只有几十微米厚,5层加起来也就是一根头发丝那么宽。遮阳罩在发射的时候,必须折叠起来塞进火箭的小空间里,等发射完成、望远镜就位后,再展开成300平方米的巨大遮阳层。可以说,韦伯望远镜搭载的,是人类有史以来最先进的遮阳罩。

可能NASA一开始也没有想到,有这么多技术难题需要攻克,韦伯望远镜的发射时间被一再推迟。韦伯望远镜从1997年就正式立项了,原本预算5亿美元,计划2007年升空。结果到了2007年,望远镜根本没有造完,发射时间推到了2014年。到了2014年,这项工程继续延期,预算也加了又加。

天文学界干脆把韦伯的英文名拿出来调侃,Jame Webb 被改写成了 Just Wait,意思是“一等再等”,坐实“万年鸽王”的名号。最终,在延期14年、追加20多倍的预算之后,到2021年年底,耗费100多亿美元的韦伯望远镜成功发射,并在半年后传回了前面提到的那5张珍贵照片。

那么,哈勃望远镜服役了30多年,我们是不是也可以期待,接棒的韦伯望远镜也服役至少30年呢?答案是,不一定。你知道,哈勃望远镜在30年时间里多次宕机,有些故障没法远程修复,必须派宇航员过去手动修理。好在,哈勃望远镜离地面只有600公里,把人发射过去手动维修是有可能的,就是成本高一点。30年时间里,NASA总共派了5波宇航员去前去维修。

而韦伯望远镜距离地球150万公里,一旦发生故障,根本就没有派人去手动维修的可能性。也就是说,韦伯望远镜是个有去无回的“一次性”产品,一次发射就是永别。这可能是人类历史上最昂贵的“一次性”产品,它代表的是人类奔向星辰大海的决心。

就像天文学家格林斯坦说的:我们方法有限,所知甚少,但宇宙充满玄妙,我们必须破解。

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