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詹姆斯·韋伯望遠鏡:觸及宇宙中曾經遙不可及的角落



北京時間1月6日消息,據國外媒體報導,NASA的詹姆斯·韋伯望遠鏡目前定於2021年3月發射。而在此之前,該項目經歷了年復一年的推遲和數十億美元的資金投入。儘管浪費了大量時間和資金,但這台望遠鏡將成為紅外波段毋庸置疑的“王者”,讓我們得以首次觸及宇宙中曾經遙不可及的偏遠角落。

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組裝完成的詹姆斯·韋伯望遠鏡(包括其“遮陽傘”和模塊式組件)已完成部分配置,還將進行進一步安裝。

從宇宙誕生後形成的第一批星系、到外星生命存在的可能性,要想進一步了解宇宙萬物,斥資約97億美元的詹姆斯·韋伯望遠鏡將是我們唯一的希望。

不畏嚴寒

儘管詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(簡稱JWST)被奉為NASA傳奇性的哈勃望遠鏡的“繼任者”,但事實並非如此。哈勃主要是一台光學望遠鏡,能夠捕獲的光線波長范圍與人眼差不多,僅向紅外線和紫外線波段稍微擴展了一些。論其本質,哈勃望遠鏡就像一顆巨大的、在太空軌道上運行的眼球,不斷傳回令人震驚的圖片。而假如你的光覺神經和它一樣強大,你自己就可以看見這些驚人的景象。

但詹姆斯·韋伯望遠鏡則不然。它將完全在紅外波段內進行觀測,幾乎不會觸及人眼能看到的最“紅”的波段。換句話說,它將研究一個對人類而言近乎隱形的宇宙。

詹姆斯·韋伯望遠鏡之所以這樣設計,主要原因之一是,從地表開展紅外波段觀測的難度很大。天文學家要想開展精確觀察和測量,必須確保夜空絕對晴朗,但地面上的光污染嚴重限制了觀測條件。

而紅外光污染更是無處不在,因為任何有溫度的物體都會發出紅外光。人體可以產生100瓦特的紅外輻射。地球本身熱量也很高,在紅外波段顯得明亮奪目。就連望遠鏡自身在室溫下也會發出紅外光輻射。

總之,我們從地面上並不是完全不能開展紅外天文學觀測,只是難度極大。因此,我們選擇將詹姆斯·韋伯望遠鏡放置在太空中。

離家遠行

為避開地球的紅外光影響,詹姆斯·韋伯望遠鏡將在距地球150萬公里處運行。儘管遠離了地球,但太陽也是個問題。你一定感受過夏季室外灼人的陽光吧,那就是紅外輻射。即使距地球數百萬公里之遙,太陽的熱量仍然不容小覷。

為此,紅外太空望遠鏡的設計師們可以採取幾種應對方案。最常見的一種便是採用主動冷卻系統,使望遠鏡的溫度下降到適宜觀測紅外波段的水平。這是種好方法,此前也在其它紅外太空望遠鏡中得到了採用。但這也限制瞭望遠鏡的工作壽命,因為一旦冷卻劑耗盡,天文觀測就無法繼續進行。

因此,詹姆斯·韋伯望遠鏡將獨闢蹊徑,配備一把昂貴的巨型“太空傘”。這把“傘”長22米,寬11米,由五層反射率極高的材料製成,每層厚度還不及人類頭髮的直徑。這把巨大的“遮陽傘”將使望遠鏡始終處於陰影之下,溫度不超過零下223攝氏度,正適合在目標紅外波段內開展觀測。

不過,望遠鏡上搭載的一台儀器將用主動冷卻系統降溫至零下258攝氏度,可以接收到波長更長的紅外光。

科學的力量

總而言之,詹姆斯·韋伯望遠鏡的體積十分龐大,用一枚火箭都裝不下。除了那把巨大的遮陽傘外,它的主鏡直徑達6.5米,遠超目前投入使用的任何火箭直徑。既然不能把鏡面“粘”在火箭一側,聰明的NASA工程師們決定將鏡面分成18片較小的六邊形,這樣就可以和折疊起來的“遮陽傘”、以及望遠鏡的其餘部分一起塞進火箭裡面了。

假如一切順利,詹姆斯·韋伯望遠鏡發射升空幾天后,就會朝觀測點飛去,將鏡面和遮陽傘展開到位,然後開始執行觀測任務。

而它的觀測結果將極為驚人。該望遠鏡的主要觀測目標之一將是早期宇宙,即宇宙剛剛誕生幾億年的時候。第一批出現的恆星和行星一度在可見光波段上發出耀眼的光芒。但在過去130億年間,宇宙逐漸擴張,導致這些光線的波長越拉越長,最後離開了可見光、落入了紅外光波段,正好屬於詹姆斯·韋伯望遠鏡的理想觀測範圍。

既然第一批形成的恆星和星係不曾留下過任何圖片,這將是我們首次觀察到宇宙歷史上這段重要時期的景象。

詹姆斯·韋伯望遠鏡將對宇宙中一切“冰冷”的物體展開研究,包括圍繞初生恆星的原行星盤、分子云、彗星、柯伊伯帶等等。

該望遠鏡還將用一種特殊裝置阻擋來自部分遙遠恆星的光線,從而抓拍到任何從這些恆星前方經過的天體,如係外行星等。這些行星在紅外波段內顯得十分明亮,通過它們發出的光線,我們可以對行星大氣中的化學物質和元素展開分析,說不定能從中發現生命的跡象。

總之,從搜尋外星生命、到揭開宇宙黎明時期的真相,詹姆斯·韋伯望遠鏡一定不會辜負我們多年的等待。