北京时间2021年12月25日20点20分,著名的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁航天发射中心升空,接下来大约需要一个月的飞行,它将抵达距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点。
这台望远镜以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯命名,以纪念他对阿波罗登月计划做出的重要贡献。图注:韦伯VS哈勃
韦伯望远镜是目前发射的最大太空望远镜,口径达到了6.5米,由18块六边形镀金镜片拼接而成。相比之下,哈勃望远镜的口径为2.4米。望远镜的口径越大,一方面能够收集更多的光子,看到更暗弱的天体;另一方面能够增加分辨率,看清更多的细节。图注:韦伯的镜面上镀有一层黄金,用于更好反射红外线韦伯望远镜与哈勃望远镜最大的差异在于它们的工作波段不同。韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区,以及少部分可见光区,而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区,以及少部分近红外光区。得益于大口径的红外观测能力,韦伯望远镜有望观测到早期宇宙中的恒星和星系,能够加深我们对恒星和星系的形成以及演化的理解,甚至还能够直接探测到系外行星的大气成分,探索外星生命存在的迹象。韦伯望远镜也因其研发周期长、耗资巨大而闻名于世,被戏称为“鸽王”望远镜。这架望远镜的研发起始于1996年,本来计划2007年发射,初始预算5亿美元,然后就开始了“放鸽子”的漫漫征途。1998年,预算扩充至10亿美元,并将发射计划推迟至2008年。
2000年,预算扩大至18亿美元,发射推迟至2009年。
2002年,预算扩大至25亿美元,发射推迟至2010年。
2003年,发射推迟至2011年。
2005年,预算扩大至30亿美元,发射推迟至2013年。
2006年,预算扩大至45亿美元,发射推迟至2014年。
2008年,预算扩大至51亿美元。
2010年,预算扩大至65亿美元,发射继续推迟到2015年。
2011年,预算扩大至87亿美元,发射推迟至2018年。
2013年,预算扩大至88亿美元。
2017年,发射推迟至2019年。
2018年,发射推迟至2020年。
2019年,因新冠疫情,发射推迟至2021年,预算追加到97亿美元。
韦伯望远镜和哈勃望远镜一样,都是耗资巨大的“旗舰级”天体物理项目,从这个意义上讲可以看作哈勃望远镜的继任者。但从严格科学意义上讲,两者更多的是互补关系。文章开头我们提到,韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区,以及少部分可见光区,而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区,以及少部分近红外光区。韦伯望远镜主要用于研究更加早期宇宙中恒星和星系的诞生过程。从科研目标上看,韦伯望远镜更可以看作另一台已退役了的红外太空望远镜——斯必泽望远镜的继任者。哈勃望远镜1990年发射升空,迄今已度过32个春秋,虽然经历过很多曲折,尤其是最近一段时间,计算机时常出现问题,但迄今仍然坚持为人类传回精美的宇宙照片。不出意外的话,哈勃望远镜能够工作至2030年代,甚至2040年代。韦伯望远镜与哈勃望远镜运行的轨道不同,前者运行在距离地球外侧150万公里的拉格朗日L2点,后者在距离地球仅500公里的轨道上运行。这意味着哈勃望远镜出现问题,还能够在轨维修,而韦伯望远镜一旦出现问题,按照目前人类的航天能力,还真爱莫能助。韦伯望远镜运行的L2点是不稳定的,要靠消耗燃料动态维持,按照燃料的消耗速度,该望远镜的预期工作寿命为10年。估计到那时,哈勃望远镜仍健在。三、为什么要把韦伯冒险发射至距离地球150万公里的深空?上面我提到,哈勃望远镜其实离我们并不远,每天在距地面500公里的上空飞行。1990年发射升空后就出现了大问题,由于镜片磨制工艺的缺陷,变成了“近视眼”,成像非常模糊。2003年,NASA派遣了奋进号航天飞机首次对哈勃进行了成功的修复,其后又进行了四次在轨维修任务。韦伯望远镜运行在距离地球150万公里的深空,相当于地球到月球距离的4倍!在这个距离上,一旦出现问题,依照目前人类的航天能力,是无法进行在轨修复的。问题来了,为什么研发超过20多年,耗资接近100亿美元的望远镜做成了“一锤子买卖”,被放置到那么遥远的距离?回答这个问题,还是要从韦伯望远镜的工作原理和达成的科学目标上进行理解。我们知道,太阳、地球和月球都向外散发出大量的热辐射,其中包含大量的红外成分,韦伯望远镜主要工作在红外波段,如果把韦伯望远镜放置在地球轨道上,就会受到太阳和地月系统强烈红外辐射的干扰,根本无法看清更加遥远天体微弱的红外辐射。因此,必须要让韦伯望远镜远离地月系统,然后再携带一件五层的硕大遮阳罩,对太阳光进行遮挡。在遮阳罩的遮挡下,镜片的温度可以低至零下223摄氏度,满足对近红外观测的需求。中红外光区的观测还需要在制冷机的作用下进一步降温。如果仅仅考虑把韦伯望远镜发射到远离地球遥远的深空,是不是任何深空点都行呢?当然不是了!经过多方考虑,最好是太阳和地球连线的外侧,距离地球150万公里的被称为拉格朗日(L2)的地方,在这个地方,太阳和地球共同的引力牵引着韦伯望远镜绕太阳公转,且公转周期和地球公转周期一致,这样就能保持韦伯望远镜和地球之间距离的稳定,有利于测控和信息回传。拉格朗日是法国著名数学家和物理学家。学过微积分的朋友,应该都对拉格朗日不陌生。由于是他最早提出了两个大天体周围的几个特殊的引力点,因此这些特殊的点以他的名字命名。你可能猜到了,有拉格朗日L2,就有朗格朗日L1。没错,除了L1和L2,还有L3 、L4、L5。L1点位于太阳和地球连线之间,距离地球也是150万公里,最适合放置太阳观测望远镜。据官方资料,韦伯望远镜主要有四大观测目标,总结如下:图注:镜片上的配图体现了韦伯望远镜的观测目标(艺术图)阿丽亚娜5型运载火箭(Ariane 5)是欧空局研制的一款重型运载火箭,近地轨道的运载能力为20吨,仅次于我国长征五号火箭25吨的运载能力。地球同步转移轨道的运载能力为10吨。重6吨的韦伯望远镜用这枚火箭发射比较匹配。除了运载能力的要求,还要求火箭必须配备巨大的整流罩,能够容纳下巨大的望远镜(尽管发射时处于折叠状态,一般的火箭整流罩也难以容纳)。最重要的一条要求是,火箭必须稳定可靠!阿丽亚娜5是一款久经考验的老火箭,再发射7、8次就要退役了,接替它的将是阿丽亚娜6型火箭。除了以上三个因素,还有一个因素是,欧空局作为韦伯望远镜的合作方之一,承担望远镜的发射任务。七、韦伯望远镜和我国贵州“天眼”望远镜有什么区别?身边有朋友问到这个问题,这里也简单回答一下。这两种望远镜的区别可真是太大了,比韦伯和哈勃的区别要大得多。位于我国贵州的FAST望远镜,俗称“天眼”望远镜,口径达到了500米,但FAST望远镜是地基望远镜,主要在射电波段(波长在0.1米到4.3米)工作。由于大气层对射电波段的透明度较好,这种类型的望远镜在地面上工作得就很好。韦伯望远镜是红外望远镜,地球大气层中的水蒸气和二氧化碳对红外线的吸收比较强烈,因此要发射到太空中去观测,复杂程度和造价指数升高。不同类型的望远镜能够看到不同景象的宇宙,发现不同的奥秘。大约半年后,韦伯望远镜有望传回它的第一幅宇宙照片,让我们一起期待!关注公众号:拾黑(shiheibook)了解更多
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