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成功拍摄遥远宇宙红外图像 ,韦伯望远镜做到了!

徐尚
科普策划编辑实习生;传递前沿科学知识与有趣的科学原理。
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2021年12月25日,詹姆斯 韦伯太空望远镜搭乘欧空局阿里安5-ECA火箭成功升空,开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。

2022年7月11日,在“离家”半年后,韦伯望远镜为人类寄回了第一张“明信片”——迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。

詹姆斯 韦伯空间望远镜拍摄到的首张深场宇宙红外全彩图像。

(图源:NASA官网)

这是韦伯望远镜的第一张全彩色图像,由韦伯的近红外相机(NIRCam)拍摄的深场由不同波长的图像合成,总共需要12.5小时,达到了哈勃太空望远镜最深场之外的红外波长深度。

那么,为何韦伯望远镜能够达到如此高水准的观测能力呢?一起来一探究竟吧。

韦伯望远镜上的黑科技

詹姆斯 韦伯的观测波段主要集中于波长为0.6-28.3微米的橙色光到红外线频段,它的更大口径和一系列新技术带来了远超前任哈勃、施皮茨、赫歇尔等知名太空望远镜的观测能力。

詹姆斯 韦伯看起来犹如一艘太空战舰

(图片来源:NASA)

例如,它能够看到更暗更古老的天体,甚至可以追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹,投入工作后将会极大提升人类红外天文学的相关研究。

为了获得更好的观测能力,詹姆斯 韦伯在各项方面都进行了升级、更新,大大提高了各方面的性能。

1、更大口径的镜片

光学和红外望远镜的核心是镜片,其口径与观测能力成正比,但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望远镜,詹姆斯 韦伯的镜片口径从2.4米提升到了6.5米,集光面积也从4.5平方米攀升到了25.4平方米。


人类、哈勃望远镜主镜和詹姆斯 韦伯主镜的大小对比

(图片来源:NASA)

镜片太大,几乎很难整体制造,不仅失败风险大、材料成本极高,也势必带来整体质量和体积的攀升,甚至远超人类现有火箭的发射能力。因此,詹姆斯 韦伯的镜面设计选择了拼接方案,由18面一模一样的六边形组成,发射时折叠起来,进入太空后再拼接到一起。

2、堪称“鬼斧神工”的镜面材料

詹姆斯 韦伯在制造、发射和工作时要面临截然不同的温度环境。特别是它的核心器件工作温度已非常接近绝对零度,对镜面材料的要求极高,因此需要同时具备抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、反射率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等特点。

而在精度要求上,最后镜片成型的制造加工精度要达到10纳米级别,这个要求所允许的误差相当于一张A4纸厚度的万分之一!而且在进入太空后,整体拼接和镜片姿态控制的精度也要达到同等水平。

综合上述要求,詹姆斯 韦伯的镜片主要材料选择了碱土金属铍,10纳米几乎就是几十个铍原子并排摆在一起的宽度,这是接近“鬼斧神工”级别的制造加工工艺要求。

3、一把屏蔽热量的“太阳伞”

远离地球,不代表能彻底摆脱地球的干扰,詹姆斯 韦伯还要面对太阳光和地球反射光/热辐射的干扰。为此,它需要背上一个大大的“太阳伞”来屏蔽热量,并使用主动冷却系统维持核心部件接近绝对零度的工作环境。

遮阳板总共有五层,都要精准打开

(图片来源:NASA)

按照设计要求,这把伞需要提供300摄氏度以上的温度屏蔽效果。这相当于一面是高温油炸,另一面却是冰天雪地。它的每一层材料主要由聚酰亚胺、硅膜和铝膜构成,首层最厚也仅为50微米,比人类头发丝直径还小,而中间层仅为25微米。

更大的难度还在后面——这把“太阳伞”如何顺利展开?

“太阳伞”每一层的面积约300平米,在发射时会被塞进火箭里剧烈振动,进入太空后要在激光引导下让100余个小型拖车带着逐层展开。难度可想而知,这无疑是人类历史上最厉害的一个遮阳板。

詹姆斯 韦伯的官方海报

(图片来源:NASA)

要想产出质量高,还得工作环境好

我们都知道,哈勃望远镜虽然远在太空中,但也仅离地球表面大约575公里,可以说“紧挨”着地球。那詹姆斯 韦伯为什么不能像哈勃望远镜一样,在离地球近一些的地方工作呢?

这是因为地球和所有的物体一样都是热源,在源源不断往外反射阳光和辐射红外线,否则就会持续变暖。因此,即使在太空中,地球附近不可避免地存在逃逸的空气分子和星际尘埃,对太空望远镜依然有一定影响。对于更加精密的詹姆斯 韦伯来说,这些影响尤其明显。所以,它必须想尽办法远离它的诞生地——地球。

然而,“逃离”地球后,并非就万事大吉了。进入错综纷繁的引力世界,航天器将受到太阳、地球、月球,乃至宇宙万物的引力影响,这使得它的轨道很难稳定下来。对于质量和体积都很大的望远镜而言,频繁地通过发动机工作维持轨道,不仅会导致发射时必须携带大量推进剂,也会极大地影响观测质量。

詹姆斯 韦伯太空望远镜位置示意图

(图片来源:NASA)

因此,必须要在上述要求中找到一个平衡。权衡利弊后,科学家们选择了日-地引力平衡的拉格朗日2点作为詹姆斯 韦伯的工作地点。这里距离地球150万公里(月球距离地球不过38万公里),远离了地球这个热源和灰尘源的干扰,温度也低达零下220摄氏度以下,可满足望远镜的整体工作温度环境要求。

此外,在“日-地拉格朗日2点”,太阳和地球两大引力源和谐共处,共同牵引附近的航天器围绕太阳稳定运动,航天器所需要的轨道维持成本极低。

在詹姆斯 韦伯望远镜刚发射升空时,人们便开始期待它会给人类带来什么?而这次发回地球的照片无疑证明了它的实力,我们期待它能够朝着宇宙的边界继续探寻,进一步为人类展现来自宇宙深处的奥秘。

参考资料:

  1. https://www.jwst.nasa.gov/

  2. https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

  3. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst

作者:太空精酿

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