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即将升空的韦伯太空望远镜 精选

已有 5428 次阅读 2021-12-21 20:02 |系统分类:科普集锦

根据NASA最新消息,将于12/24/2021发射(14年之前就计划发射)的韦伯太空望远镜,它的科学目标是:将给宇宙拍几张“婴儿照”。

 

走得最远的航天器是旅行者1号,离家44载,刚到太阳系边界。用光速表达这个距离,就是光走20小时而已。而人类的“眼光”就看得远多了。即使是肉眼,也能看到很远的星星,望远镜更不在话下。远到多远呢?结果令你吃惊:130亿光年。是旅行者1号距离地球的4万亿倍!望远镜对天文学的贡献毋庸置疑,没有望远镜,人类的目光是太短浅了。人类观天的能力随着望远镜技术的改变而进步。伽利略用望远镜研究太阳系的行星及其卫星;赫歇尔家族用望远镜探测银河系并记录下几万颗星星;哈勃本人用望远镜观测到银河之外的4万多个 “河外星系”!望远镜带给人类一次一次的惊喜,将我们的目光延伸到能“和宇宙共处,与光波同行”!

         

(点击图像打开视频)

 

现代天文观测将望远镜从地面搬到太空;频率范围从可见光扩展到了伽玛射线、X射线、紫外线、红外线、无线电波等等。

 

为什么要将望远镜的位置上升到太空的高度呢?是为了摆脱大气层对观测的干扰。地球被厚厚的大气包围着,这对人类的健康是至关重要的,使人类免受有害辐射的危害,但与此同时,地球大气层也阻碍我们观测天象。大气层对来自天外的辐射是选择性地吸收,只有可见光和某些频段容易通过。此外,即使在可见光范围内,大气层的散射也会导致我们没办法看到太远的星系,因为它们比大气层自身的光都要暗。这也是为什么一般都将天文台建立在高山上的原因。

 

哈勃望远镜

 

观测到最遥远(130亿光年)古老星系、探测到恒星和星系的早期形成过程的是美国的哈勃太空望远镜,它以著名天文学家爱德温·哈勃(Edwin Hubble,1889年-1953年)命名。哈勃被后人誉为“星系天文学”之父。他确定了数万个河外星系,开辟了一个天文学新发展方向:测量宇宙学。

 

哈勃望远镜升空二十余年,影像珍贵成果颇丰,它的广角行星相机可拍摄上百个恒星照片,清晰度是地面天文望远镜的10倍,据说在6万公里外的一只萤火虫都“一目了然难逃法眼”。此外,如哈勃深空、哈勃超深空、哈勃极深空,探索宇宙的过去。哈勃深空(HDF)便是一张由哈勃于1995年所拍摄的夜空影像。与“广角”的目的不同,深空拍摄位置在大熊座中一个很小的区域(仅144角秒)。影像由342次曝光叠加而成,拍摄时间连续10天。所包含的区域几乎没有银河系内的恒星,可见的3000多个物体全部都是极遥远的星系。哈勃超深空包括10,000个星系,显示的是超过130亿年前的“过去”。


哈勃深空

 

哈勃深空深入到哪里去?遥望太空,却能穿越时间的隧道,回望宇宙的过去!因为光传播需要时间,所以我们看到的是那儿的过去!白天看到的是8分钟之前的太阳,晚上看见的是1.28秒之前的月亮。8分或1.28秒是小事一桩,但对遥远的星球而言,结论就非同小可颇为有趣了。遥望织女星,其实看到的是她25年前的模样,银河系外最近的星系是仙女座,是250万光年前的样子。

 

图最左边表示宇宙的起点,大爆炸及早期宇宙演化,之后,产生了第一代恒星,第一代星系,现代星系形成,再后来,星系群、星系团、超星系团等大尺度结构形成……。图中可见,哈勃超深空深入到了大爆炸后6亿年左右。

大爆炸模型

 

詹姆斯·韦伯太空望远镜

哈勃极深空还不够。革命尚未成功,31岁的哈勃望远镜却已显老旧,主要是需更新换代电子仪器。韦伯望远镜(JWST)便是哈勃的接班人。它的主要科学目标之一是探测早期形成的第一批恒星和星系,为宇宙拍个4-6亿岁时的婴儿照。韦伯与哈勃大不相同:一是工作频率,哈勃以可见光为主,韦伯集中于红外线波段;二是在太空的位置。下面分别说明。

 

韦伯JWST为何要在红外波段工作?因为第一代恒星和星系初生年代的信息传播到现代,可见光或紫外线已被红移到了红外区域。红外功能不够的哈勃无法捕捉到早期宇宙中的神秘天体(红移值高达9.6),需要依靠“引力透镜”效应来发现它们。

 

而红外线的波长更长,使得需要更大的镜面聚光来达到更高的分辨率。韦伯望远镜主镜直径6.5米,几乎是哈勃直径的3倍。主镜由铍制成,镜片上涂上一层厚度仅为头发千分之一的金,主镜包括18块6角形镜片,在发射时需要打包,折叠起来,升空安置好之后再打开。


 

哈勃离地高度不过600公里,JWST的位置却距地球约 150万公里,比它的前任离地球远得多。韦伯望远镜比较特别的是它的轨道。它不是像哈勃那样绕着地球转圈,而是位于太阳-地球系统的拉格朗日点L2上,

 

何谓拉格朗日点?在两个大质量和一个微小质量质点的简化三体问题中,有5个点可以让小质量天体稳定运行,这5个点被称作拉格朗日点。两个天体环绕运行,空间中有五个位置(L1、L2、L3、L4、L5)可以放入第三个物体(质量忽略不计),使其与另两个天体的相对位置保持不变。

 

韦伯升空后的景象是这样的:哈勃应该仍然在绕着地球转小圈,仍然不停地发回大量照片;而在地球背对太阳的一方,韦伯背朝着地球,孤零零地飘荡在L2点上,在那里,它比哈勃更远离地球与太阳的干扰,能够更方便地窥探深空,朝宇宙的起点望去,一直望到宇宙的边缘,天之尽头!

 

更多航天及天体物理知识请观看视频:

(火箭传奇,点击打开视频)


(三体问题,点击打开视频)

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