韋布望遠鏡探知浩渺宇宙 各望遠鏡波長(cháng)不同功能迥異

科學(xué)家給了它一雙“大眼睛”，它決心去往遙遠的地方，探知浩渺宇宙的微妙波動(dòng)。

2021年12月25日，迄今為止體積最大的空間望遠鏡——詹姆斯·韋布空間望遠鏡(以下簡(jiǎn)稱(chēng)韋布望遠鏡)升空，將于不久后到達距離地球150萬(wàn)公里的第二拉格朗日點(diǎn)。

苛刻工藝致使發(fā)射推遲14年

“韋布望遠鏡之大，不僅是體積大，更是功能集大成者。”華中科技大學(xué)天文學(xué)系副教授張華年說(shuō)，該望遠鏡的主鏡直徑達6.5米，有效面積25.4平方米，由18塊邊長(cháng)約0.75米，面積約1.4平方米的正六邊形小鏡面拼接而成，重約6.5噸，副鏡則為直徑約0.74米的圓形鏡面。

為阻止外來(lái)熱量及儀器自身產(chǎn)生的熱量所造成的紅外線(xiàn)污染，天文學(xué)家給韋布望遠鏡裝上了5層“遮陽(yáng)傘”，每層長(cháng)約21.197米、寬約14.162米，大小如網(wǎng)球場(chǎng)，厚度近乎頭發(fā)絲。

同時(shí)，為提高鏡面反射能力，工程師在主鏡上鍍了一層厚度僅為頭發(fā)絲十分之一的“土豪金”。

韋布望遠鏡空間分辨率達到0.1角秒，工作波長(cháng)范圍位于近紅外和中紅外波段(0.6—28.5微米)，設計服務(wù)年限5—10年。

張華年介紹，受運載火箭大小限制，韋布望遠鏡必須折疊起來(lái)才能塞進(jìn)火箭，在航行中一步一步慢慢展開(kāi)，這對加工工藝要求幾近苛刻，導致望遠鏡發(fā)射推遲14年之久，最終預算超過(guò)100億美元。

他表示，韋布望遠鏡主要由4個(gè)探測儀器構成，即近紅外照相機、近紅外光譜儀、中紅外設備、近紅外成像器與無(wú)縫光譜儀。

其中，近紅外照相機和中紅外設備主要由美國亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導設計。

此前在該校讀博的張華年，曾與領(lǐng)導設計這兩個(gè)儀器的教授，對儀器的設計和工作流程進(jìn)行過(guò)交流。他表示，近紅外照相機可以幫助韋布望遠鏡完成最重要的探索任務(wù)，再由可同時(shí)觀(guān)測100個(gè)物體的近紅外光譜儀來(lái)認證近紅外照相機拍攝到的“奇異”天體;中紅外設備則集合中紅外相機與中紅外光譜儀于一體，無(wú)縫光譜儀能極大提高望遠鏡對多天體的探測效率。

探尋宇宙大爆炸后“第一縷光”

張華年直言，籌備近30年，等待14年之久的韋布望遠鏡，其科學(xué)目標極其宏大。韋布望遠鏡志在尋找宇宙大爆炸后“第一縷光”，即第一代星系、恒星或亮物體。

若韋布望遠鏡探測到第一代星系，結合其他望遠鏡對宇宙不同時(shí)期各類(lèi)星系的觀(guān)測，天文學(xué)家就能研究星系是如何一步一步成長(cháng)的，從而描繪出星系演化的完整圖景。

同時(shí)，韋布望遠鏡也可探測一些正在形成的恒星系統。在活躍的恒星系統中，其外圍會(huì )先形成氣體與塵埃構成的冷盤(pán)，冷盤(pán)內正在形成類(lèi)似地球與木星的行星，它們發(fā)出的輻射集中在紅外區域，但極其微弱。由于韋布望遠鏡所在的空間背景“噪聲”極低，加上相比哈勃望遠鏡更大的口徑，可以展示更多冷盤(pán)細節，揭露恒星形成的“真實(shí)面貌”。這對研究恒星形成、恒星原初質(zhì)量函數等具有劃時(shí)代意義。

此外，韋布望遠鏡還可以測量太陽(yáng)系及系外行星的物理和化學(xué)參數。對一些特殊恒星系統來(lái)說(shuō)，如其中某些行星遮住了母恒星，韋布望遠鏡就可捕獲母恒星被行星大氣折射的星光，據此分析行星大氣的化學(xué)成分和物理參數，甚至確定行星上是否存在液態(tài)水，是否適合生物生存，為人類(lèi)尋找外來(lái)文明提供更多可能性。

各望遠鏡波長(cháng)不同功能迥異

使命不凡，戰友同在。仰望星空，還有一些“大眼睛”正在緊張工作，試圖“看”得更遠、“看”得更清。

張華年介紹，空間望遠鏡靠收集宇宙光線(xiàn)進(jìn)行探測，而光是一種電磁波，探測不同波長(cháng)的光對望遠鏡加工工藝和技術(shù)細節的需求完全不同。所以星空中才會(huì )有那么多不同類(lèi)型的望遠鏡，代替我們去“看一看”這個(gè)宇宙。

哈勃望遠鏡于1990年升空，位于近地軌道約500公里處。其主鏡為2.4米的單一鏡面，有效面積遠小于韋布望遠鏡，但重量卻約為韋布望遠鏡的兩倍，且波長(cháng)覆蓋范圍正好與韋布望遠鏡互補。

“與其說(shuō)韋布望遠鏡是哈勃望遠鏡的繼任者，不如說(shuō)是相輔相成的合作者。”張華年說(shuō)。

于1999年升空的錢(qián)德勒X光望遠鏡，和哈勃望遠鏡一樣，被美國國家航空航天局(NASA)選為“旗艦機”。錢(qián)德勒X光望遠鏡相比韋布望遠鏡，堪稱(chēng)超級“迷你”版，外圍僅1.2米，有效收光面積只有0.04平方米，重量卻有近5噸，和韋布望遠鏡不相上下。其工作軌道為橢圓軌道，近地點(diǎn)高度約1.4萬(wàn)公里，遠地點(diǎn)高度約13萬(wàn)公里。

與錢(qián)德勒X光望遠鏡較接近的另一架望遠鏡是蓋雷斯望遠鏡，也是一款“迷你”望遠鏡，直徑0.5米，工作波段在紫外線(xiàn)區域，位于距地球700公里左右的軌道。

張華年說(shuō)，盡管錢(qián)德勒X光望遠鏡超級“迷你”，取得的成果卻不落下風(fēng)：第一次觀(guān)測并描繪超新星爆發(fā)的遺跡、第一次用X光探測到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的發(fā)射線(xiàn)、首次在伽馬暴事件GRB 991216中發(fā)現X光發(fā)射等，都是該望遠鏡的“杰作”。

同時(shí)，耗資近8億美元的斯皮策望遠鏡于2003年升空，主鏡0.85米，仍然非常“迷你”，設計工作波段在紅外區域。斯皮策望遠鏡是第一架?chē)@太陽(yáng)運轉而非圍繞地球運轉的望遠鏡，其軌道和地球差不多。

張華年介紹，斯皮策望遠鏡遠離地球運行在太陽(yáng)軌道，可最大程度降低來(lái)自地球的紅外輻射，并擁有天然的低溫環(huán)境。但在2009年，其用作冷卻液的液氦消耗殆盡，遠紅外觀(guān)測終止，進(jìn)入“溫觀(guān)測”階段，工作溫度達到零下243攝氏度。

不過(guò)，韋布、哈勃、錢(qián)德勒、斯皮策等望遠鏡都是通用“點(diǎn)源”望遠鏡，即對宇宙中某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行深度曝光和光譜成像。

伴隨大數據時(shí)代到來(lái)，未來(lái)空間望遠鏡更多的是巡天望遠鏡，即“面源”望遠鏡，這些望遠鏡可以長(cháng)時(shí)間、大視場(chǎng)對宇宙不同天區進(jìn)行曝光，收集海量數據。

在張華年看來(lái)，“點(diǎn)源”和“面源”望遠鏡好比攝影的兩個(gè)不同場(chǎng)景，“點(diǎn)源”類(lèi)似棚拍，攝影師對著(zhù)事先選好的目標模特進(jìn)行拍攝，而“面源”如同街拍，攝影師在街上對著(zhù)人群進(jìn)行大量拍攝，后期再挑選感興趣的目標。

目前，國際上即將投入使用的巡天望遠鏡是美國的羅曼空間望遠鏡和歐洲的歐幾里得空間望遠鏡。

張華年介紹，我國研制的中國空間站望遠鏡口徑為2米，工作波段在0.3—1微米。其視場(chǎng)是哈勃的300倍，服役期間其觀(guān)測范圍可以覆蓋三分之一天區。高精度、大視場(chǎng)成像巡天，配合3通道無(wú)縫光譜巡天，中國空間站望遠鏡將為未來(lái)宇宙學(xué)、星系形成與演化、暗物質(zhì)暗能量、系外行星尋找等方面的研究提供幫助。(本報記者 吳純新 通訊員 高 翔)

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關(guān)鍵詞： 韋布望遠鏡 發(fā)射 宇宙 大爆炸