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詹姆斯·韦布空间望远镜探测更深邃宇宙
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John Mather 文 Shea 编译 |
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作为人类迄今所建造的最强大空间望远镜，它会遥望比哈勃空间望远镜所能及的更深远宇宙，还将在太阳邻域中寻找地外生命。 生命是如何从宇宙大爆炸中形成的？我们是唯一的生命吗？我们的邻居在哪里？广袤且未知的宇宙为天文学家提供了无尽的想像空间。几乎每一项重要的发现都是一个意外。 预计最早会在2021年11月发射，詹姆斯·韦布空间望远镜将会试着回答这些以及那些我们甚至都未曾想到的问题。它将会审视人眼不可见的红外天空。凭借其直径6.5米的主镜以及配套的相机和分光仪，“韦布”可以探测从可见光光谱中段到中红外的辐射。如果有一只蜜蜂在地月距离上飞行，那么“韦布”不仅能看到它所反射的太阳光，还能探测到它自身发出的热辐射。  和“哈勃”一样，“韦布”的科学发现有些会立即公开，有些则会在更为详尽的分析之后才问世，但不管是哪种情况，所有人都能下载它所拍摄的图像。天文学家知道“韦布”会往哪儿看，能猜到会发现些什么，还有那里会有什么样的惊喜。 “韦布”将会回溯时间，一路探寻第一代星系、第一代恒星、第一代超新星和第一代黑洞。形成于早期宇宙才有的纯氢和纯氦，这些天体与我们今天所见到的截然不同。它将测量不可见暗物质和暗能量的作用。通过比较不同年龄的星系，来了解它们如何生长。“韦布”将会深入气体和尘埃云，直击恒星的诞生。 通过观测太阳系内、外的行星和小天体，“韦布”可以进一步了解太阳系的形成和演化以及它对于生命起源和演化的作用。在无垠宇宙的某个角落必定存在着生命，但它们会在近邻太阳的恒星旁出现吗？如果在太阳邻域中存在拥有水的太阳系外行星，“韦布”就能发现它们。  更大、更冷 即便在“哈勃”发射前，天文学家就已经开始考虑它的继任者。1995年，发布了一份报告《哈勃空间望远镜及未来》，概括了学界的后续举措。它对“哈勃”继任者提出了概念和科学上的要求，呼吁在搜寻类地球太阳系外行星所需的技术上投入人力和物力。 今天，“韦布”就代表着这场长达25年长跑的胜利。美国空间望远镜研究所将会负责“韦布”的运行，有总计数千名的工程师、科学家、技术人员、管理人员、规划人员、会计和文书人员参与了它的建造。 “韦布”拓展并提升了2.4米哈勃空间望远镜和0.8米斯皮策空间望远镜的能力。“斯皮策”被设计在红外波段进行观测，已于2020年1月退役。“哈勃”则只能看到一小部分的红外辐射。虽然深处太空，但它自身的温度足以发出红外辐射，干扰红外天文观测。 因此，“韦布”绝不仅仅是“哈勃”的放大版，它还是“哈勃”的低温版，只有这样它才不会发出红外辐射。这意味着，“韦布”不同于“哈勃”，它具有开放整体架构，所有部件都暴露在太空中，由此可以在无需主动制冷系统的情况下仍保持低温。 这也意味着，“韦布”不能位于近地轨道上。地球会辐射出热量加热附近的卫星，目前尚未找到能在那里使得“韦布”保持低温的办法。于是，“韦布”将会被发射到日地第二拉格朗日点（L2点）附近，后者位于日地连线上、距离地球约150万千米。在那里，太阳和地球引力的合力会让“韦布”绕着L2点运动，用一块遮光板就能抵御来自太阳、地球和月球的热量。 由于观测的目标更加暗弱也更为遥远，因此“韦布”也要比“哈勃”大得多。“韦布”大到必须折叠起来才能发射，即便如此它也是将将能塞进“阿丽亚娜”5型运载火箭的整流罩。为了能折叠，其直径6.5米的主镜不得不由18面六边形的镜面拼合而成。  强大的仪器 “韦布”的仪器设备包括了成像照相机、分光仪和精密导星相机，可以覆盖从0.6～28.8微米的整个红外波段。除了中红外相机和频谱仪需要主动制冷到-266℃外，其他的都被动冷却到-233℃。 使用能仅让目标天体光线通过的微型快门，“韦布”的近红外分光仪可以同时拍摄100个星系的光谱。就像棱镜一样，分光仪可以把光打散成各种颜色，由此可以识别出在不同波长上吸收或发射光线的元素。根据这些光谱信号，可以确定目标天体的化学成分、温度以及运动状态。光谱可以为天体物理学研究提供关键的信息。 “韦布”的近红外照相机、近红外成像无缝分光仪和中红外仪器都具有星冕仪功能，可以遮挡亮星的光芒来寻找它周围的行星，或者可以遮住类星体的光线来更好地观测物质落入其黑洞的过程。通过监测有凌星行星的恒星，搜寻行星大气在星光中特定波长处造成的吸收，近红外分光仪和中红外仪器还可以对行星大气进行探测。 “韦布”所有的探测器都比“哈勃”的具有更强的适应力。“哈勃”的探测器在读出一幅图像时，必须一行一行地把每一个像素中积攒的电荷转移到传感器底部的放大器以供读取。但传感器处理电荷的能力随着时间会不断减弱。“韦布”的探测器避免了这种每个像素逐个读出的做法。  发射入轨 如果一切顺利，在2021年11月末的某个早晨，“阿丽亚娜”5型运载火箭会从位于南美洲赤道附近的法属圭亚那升空，把“韦布”送往L2点。在发射后不久、前往L2点的途中，“韦布”会打开自己的天线和太阳能板，开始于地面控制中心建立联系。 在接下去的几周时间里，控制人员会发出指令，展开“韦布”的遮阳板和镜面，并对每一块镜面进行仔细检查。相比之下，当火星着陆器进入火星大气层时，完全没有时间和地面进行联系寻求帮助。 由于目前尚不具备前往L2点进行维修的能力，确保“韦布”能够正确地打开需要一套极为彻底的测试流程。为此，“韦布”采用了冗余设计，每一个马达或释放装置都有两套控制系统。 在望远镜展开后，还必须要确保18块六边形镜面能精确定位到自己的位置，由此才能整体如一地工作。这里借鉴了当初“哈勃”的科学家和工程师为了校准其光学系统而研发的聚焦算法。 在所有18块六边形镜面拼合成主镜以及副镜正确就位后，“韦布”会在2微米或更长的波段上达到衍射极限。换句话说，在经典物理学所允许的条件下，它能在这些波段上呈现出最锐利的影像。如果运气够好，这一性能甚至能拓展到更大的波长范围上，但这只有等到它入轨且完成调试后才能知晓。 在发射后1个月，“韦布”将会抵达L2附近并绕其转动，由此可以避开地球的阴影，进而获得太阳能。1周后，它就会冷却到可以开始调焦的程度。发射后3个月，所有仪器设备都会冷却到所需的温度；再过1个月，调焦就可以完成。仪器设备的调试则另外还需要2个月的时间，此后就可以开始科学观测了。  往哪儿看 第一批科学结果将会来自早期释放科学计划，后者由从全世界4 000多名天文学家组成的100多个团队所提出的提案中遴选出的13个组成。此外，观测计划还包含了来自制造仪器设备的团队、交叉学科科学家以及近300个科学家团队提出的方案。 “韦布”约70%的时间将用于光谱观测。如果说一图胜千言的话，那么一谱胜千图。另外，还有20个科学家团队会开展存档数据挖掘和理论研究。 “韦布”最初的一系列观测将会覆盖形形色色的目标天体。它会观测太阳系天体，包括火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星、阋神星、赛德娜、土卫二、土卫六和木卫二。 它会观测有着至少一颗行星的比邻星以及兴许也拥有行星的半人马α。它会观测红矮星周围的凌星行星，搜寻行星大气的信号。 它会观测著名的“哈勃”深场区回溯时间，寻找正在诞生的第一代星系。它会透过由星系团组成的天然望远镜引力透镜，通过后者近10 000倍的放大率来寻找早期宇宙中的单颗恒星。  它会观测位于猎户佩剑中点的猎户四边形星团。在那里伽利略用他的小望远镜看到了3颗恒星，而“韦布”的红外相机将会发现近千颗新生的恒星。 当有另一个类似奥陌陌的星际天体闯入太阳系时，“韦布”可以探测它是否真的是由氮冰所组成的。 但是，“韦布”会发现一些完全意料之外的东西吗？在早期宇宙中也许会形成一些目前业已不存在的天体，例如质量达太阳数千甚至数百万倍的恒星，它们会形成黑洞或者被完全炸碎。或许，暗物质会直接坍缩成黑洞。或许，这些奇特的天体今天仍在宇宙中，只是伪装成了其他的模样。 又或许会是关于太阳系外行星的意外发现。现在已经发现了数千颗，也已知道有着地球大小和温度的行星十分普遍，所有恒星中的20%会拥有类地球行星。“韦布”将会搜寻这些行星上有水存在的证据，后者被认为是生命的要素。搜寻氧气的信号则会难得多，但一旦发现将会是光合作用的重要征迹。  下一步？ 就像在“哈勃”离开地球表面之前天文学家就已开始构思“韦布”一样，下一代的空间和地面望远镜也已在筹划之中。 欧洲空间局直径1.2米的欧几里德望远镜计划于2022年发射，它将会对天空进行巡视，搜寻暗物质和暗能量的线索。美国航天局有着与“哈勃”相同2.4米口径的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜计划在2026年左右发射，它一次观测的天区可达“哈勃”的100倍。 在地面上，每3个夜晚，8.4米的薇拉·鲁宾天文台及其30亿像素的照相机就能够对可观测夜空进行一次巡视，预期会发现以数百万计的暂现事件，例如超新星、近地小天体或者是掉入黑洞的物质。“韦布”可以在不到2天的时间里对这些发现做出快速响应并开展后续观测。  口径更大的24米巨麦哲伦望远镜、30米望远镜和39米的特大望远镜也在建造中。它们能够收集更多的光线来开展光谱研究，还能获得近邻恒星周围行星的图像。 下一代空间望远镜的计划则包括了冷却到-269℃的远红外望远镜，有着比现有好得多镜面和探测器的X射线望远镜以及能工作在紫外、可见光和近红外波段的空间望远镜。 虽然未来的道路绝非坦途，但却值得为此投入时间和精力。因为现在的努力，可以转化为让下一代天文学家丰收的宝藏。 |
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[Astronomy 2021年10日]
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