天基望遠鏡

□ 王寶伊 聞新

天基望遠鏡

□ 王寶伊 聞新

空間天文學(xué)的誕生

▲ V-2導(dǎo)彈應(yīng)用于太空環(huán)境研究

由于地面天文觀測要受到地球大氣的各種效應(yīng)和復(fù)雜的地球運動等因素的嚴(yán)重影響，因此，天文觀測精度和觀測對象受到了許多限制，遠遠不能滿足現(xiàn)代天文研究的需要。

為了從根本上克服上述不利因素的影響，天文學(xué)的一門新的分支學(xué)科——“空間天文學(xué)”，伴隨著航天技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。1949 年，美國天文學(xué)家用繳獲的德國V-2導(dǎo)彈搭載一種空間探測器飛出地球大氣層外，做了一次短暫的太空探索。這也是人類第一次開展太空環(huán)境研究，搭載的探測器不僅觀測到了來自太陽的紫外線，還觀測到了被大氣層阻擋的來自遙遠宇宙的射電波，如宇宙X射線。這是人類有史以來第一次開展空間天文觀測實驗，它開啟了太空探索科學(xué)的新一頁，也是空間天文學(xué)的誕生標(biāo)志。

哈勃空間望遠鏡

▲ 哈勃空間望遠鏡

早在1946年就有科學(xué)家提出在地球大氣層外放置一個大型的天文望遠鏡的方案，但直到1990年，哈勃望遠鏡才成為第一個部署在太空的天文觀測站。它填補了地面天文觀測的缺口。哈勃望遠鏡的超深空視場成像、可見光成像以及紫外線成像在未來很長一段時期內(nèi)無法被取代。哈勃望遠鏡幫助天文學(xué)家解決了許多根本上的問題，使得他們對天文物理有更多的認(rèn)識。

一晃27年過去了，哈勃望遠鏡已經(jīng)到“退休”的時候了，但美國并不舍得把它推到太空裝備垃圾場，而是計劃一旦具備回收能力時，將把它送進美國歷史博物館。哈勃望遠鏡拍攝了無數(shù)壯麗的恒星和星系的照片，顛覆了人類對宇宙的認(rèn)識，不僅幫助天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了宇宙加速膨脹現(xiàn)象和遙遠宇宙形態(tài)等，也啟發(fā)他們思考更深層的問題。

韋伯望遠鏡的命名

▲ 詹姆斯·韋伯

▲ 韋伯望遠鏡

美國宇航局設(shè)計了哈勃望遠鏡的接班人——“詹姆斯·韋伯空間望遠鏡”，簡稱“韋伯望遠鏡”。韋伯望遠鏡最初曾被命名為“新一代空間望遠鏡”，其英文縮寫是NGST （Next Generation Space Telescope）。直到2002年9月，美國宇航局才采用該局的第二任局長的名字“詹姆斯·韋伯”，更名它為韋伯望遠鏡。

為什么更名呢？這是因為韋伯擔(dān)任美國宇航局領(lǐng)導(dǎo)人時，曾掀開了美國航天事業(yè)的新篇章，其中包括“探測月球”計劃和“阿波羅登月”計劃等。所以，詹姆斯·韋伯望遠鏡寄托著人們的厚望。

韋伯望遠鏡與哈勃望遠鏡比較，又有了怎樣的提升呢？

▲ 從圖中可以清楚地看出，韋伯望遠鏡跟隨地球繞太陽轉(zhuǎn)，同時每198天繞L2點轉(zhuǎn)一圈，另外韋伯的鏡子總是位于遮光板的后面

哈勃望遠鏡是光學(xué)望遠鏡，它與韋伯望遠鏡的一個重要不同點在于韋伯望遠鏡是一個大型的紅外線望遠鏡，韋伯望遠鏡的主要任務(wù)是調(diào)查宇宙大爆炸的殘余紅外線證據(jù)。

韋伯望遠鏡與哈勃望遠鏡還有一個最大的差異，韋伯望遠鏡的奇特主鏡，可以讓觀測精度高于哈勃望遠鏡的很多倍，進而可以為人類提供更翔實的遙遠宇宙細節(jié)。

另外，韋伯望遠鏡將被部署在比哈勃位置更遠的L2點上，以至于它的鏡面可以收集到更多的光，并且可以觀測時光倒流。因此，韋伯望遠鏡也是一部強大的時間機器，可觀測到宇宙誕生之后的第一批星系。科學(xué)家認(rèn)為如果哈勃望遠鏡的觀測成果修改了所有教科書，那么韋伯望遠鏡將再次改寫所有課本。

什么是L2點？

▲ 太空中的五個拉格朗日點（上）和位于L2點的韋伯望遠鏡（下）

前面提到了韋伯望遠鏡部署在L2點上。那么，什么是L2點呢？

法國數(shù)學(xué)家拉格朗日（Lagrangian points）于1772年證明了在兩個大物體的引力作用下，存在能夠使一個小物體穩(wěn)定的點。在太空里，目前這樣的點一共發(fā)現(xiàn)5個，被稱為拉格朗日點，L2點是5個拉格朗日點之一。L2點位于太陽和地球的連線上，地球外側(cè)約150萬千米處。在L2點上，韋伯望遠鏡長期駐留只需消耗很少的燃料。

韋伯望遠鏡的結(jié)構(gòu)

▲ 韋伯望遠鏡的系統(tǒng)組成

韋伯望遠鏡是一臺大型太空紅外線望遠鏡，其質(zhì)量為6.2噸。它的鏡面系統(tǒng)分為主鏡、次鏡和三鏡，其質(zhì)量約為哈勃望遠鏡質(zhì)量的一半。主鏡由鈹制成，口徑達到6.5米，面積為哈勃空間望遠鏡的5倍以上。鏡面系統(tǒng)被分割成18塊六角形的鏡片，可以被精心折疊和展開，看上去像一朵金色的蓮花，科幻色彩濃厚。

韋伯望遠鏡還有一個5層網(wǎng)球場大小的太陽遮光板，可以將太陽光削弱數(shù)百萬倍。它的四個光學(xué)鏡頭和分光儀都配備了特別靈敏的檢測器，可以捕捉到非常微弱的光信號。其中一個光學(xué)鏡頭裝有微型快門，能夠同時觀測100個物體。

韋伯望遠鏡中的制冷器用來冷卻中紅外線檢測器及其他儀器，使其降溫至7開并維持工作狀態(tài)。為了將韋伯制作成這樣的形狀，科學(xué)家借鑒了地球上最大的光學(xué)望遠鏡——凱克望遠鏡，并讓韋伯的鏡面得以擴展，強度得以增加。

韋伯望遠鏡將證實宇宙形成的歷史

▲ 韋伯望遠鏡的深層觀測

宇宙在大爆炸中誕生，那時的宇宙缺少離散的光源，到處彌漫著冰冷朦朧的氫氣和氦氣薄霧。在最初幾十萬年里，宇宙是一個巨大而灼熱的原子團。隨著宇宙后來的擴張和冷卻，這些帶著高能量的粒子最終合成了中性的原子。許多年后，密度大的區(qū)域在重力的作用下分崩離析，宇宙的中性氫凝結(jié)成塊。最后這些區(qū)域的密度越來越大，核反應(yīng)堆就生成了。當(dāng)?shù)谝慌乔蛐纬珊螅鼈兊墓饩€和輻射與氫氣發(fā)生了劇烈的摩擦和碰撞，中性的原子破碎，一個個質(zhì)子和電子散播開來。起初，這些區(qū)域就像細小的水泡或是高能源電離氣體的集合。然而，中性原子仍然是宇宙中最主要的部分，其作用是阻止光在太空中肆意穿梭。韋伯望遠鏡將帶領(lǐng)我們觀測去宇宙初期的星云和星球，以及星球形成時的塵云以及行星氣流。它的觀測將有助于宇宙歷史的研究。從宇宙大爆炸時的耀眼光芒到太陽系的形成和發(fā)展，這些謎底將被逐一揭開。