它与地球并驾齐驱,性能超哈勃百倍

科普中国-科普融合创作 2016-11-07

 

  出品:科普中国

  制作:许仁华

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  天文学家们是一帮最闲不住的人!1989年,在大名鼎鼎的哈勃望远镜仅有1年就要走马上任之际,天文学家们竟然又坐在一起,筹划起哈勃望远镜的接班人啦。哈勃望远镜若是个人,会有多郁闷?

  二十多年过去了,退休年龄一再被延长的哈勃望远镜又郁闷了,其多次提出要一头扎向美丽的太平洋,结束常年不分昼夜“咔咔咔”给宇宙不停按快门的职业生涯,无奈,全被驳回。而这还是因为他的接班人——詹姆斯·韦伯望远镜。

  它比前任强一百倍

  图为哈勃与韦伯望远镜主镜面大小比较。

  韦伯望远镜目前最亮的头衔就是“哈勃望远镜的接班人”,可以想象,要是连这个头衔都没了,谁知道它是哪根葱?然,一旦踏上舞台,韦伯望远镜就会像躲避瘟神一样躲避这个早期的头衔。因为,他的能力和水平将超出哈勃100倍。就像上任后的狮子不会说:喵,我是喵星人的接班人。

  哈勃的工龄实在是太长了,历经5次大修,且它的某些部件老旧得像古董,如仍在使用英特尔486处理器。因此美国宇航局NASA迫切需要新一代的天文望远镜,这便是韦伯望远镜。

  图为2009年航天飞机对哈勃进行维修的的情景,艺术图。

  诺贝尔物理奖获得者约翰·马瑟,是韦伯望远镜项目的资深科学家,他已为其付出了近20年的心血。用他的话说:“‘哈勃’是将未知事物展现于人类面前,挑起了我们的求知欲;而关于这些事物的答案,我们要靠韦伯望远镜去探索。”

  嘿,这有点类似于是说,哈勃你拍了很多UFO照片,我却能告诉你这些不明物体到底是什么!

  图为韦伯望远镜的主镜面,材料为铍,最后还要覆盖一层黄金。

  它能干嘛?去拍拍宇宙的婴儿照

  我们虽不能回到过去,但绝对能看到过去。而且不难!实际上我们目之所及,都是过去的事儿。你此刻看到初升的红太阳,那其实是八分钟前的太阳。你看到正眨巴着眼的北极星,那也不是此刻的北极星,是它400年前的样子。

  我们看得越远,就越能看到更遥远的过去。若说哈勃能看到宇宙的童年期,那么现在,天文学家们更雄心勃勃,打算穷尽世间技术,以便让韦伯望远镜去看看宇宙的婴儿期,一窥早期宇宙以及第一批星系形成时期的秘密。理论物理学家爱维·勒布说:”我们曾经丢失了这本相册中的几页,而这些是了解第一缕光、第一批星系如何形成的最令人激动的几页。”

  理论认为,在大爆炸的光辉褪去之后,宇宙进入了一个长期的”黑暗时代”。最终,低温物质聚集坍缩形成了第一代恒星,出现了第一缕光。

  “这是一个新的机遇。”诺贝尔奖获得者John.C.Mather说道,”这是一块从未被翻动过的石块,谁也不知道它下面藏着什么。没人知道大爆炸后所照亮的第一个物体是什么样,而这是我们早就应该弄清楚的。”

  要看到如此遥远的地方,或者说要看到如此遥远的过去,绝非易事。

  众所周知,可见光作为电磁波的一种,它若被压缩,颜色就会变紫;若被拉伸,就会变红,再拉伸,就会变成不可见的红外。

  因为大爆炸,各星系都在互相高速远离,这种远离会把可见光拉伸,于是,早期宇宙残留的光传到现在,已被拉伸了很多很多,为此,韦伯望远镜将要配备世界上灵敏度最高的红外线传感器、光谱器等。

  图为韦伯望远镜的主镜面正在做低温测试。

  与地球并驾齐驱

  为避开大气层的干扰,哈勃望远镜跑到570千米的太空运行。而韦伯望远镜,它才不屑于只与大气层躲猫猫,它将走得更远。月球距地球虽有38万千米,但它依然还是地球的卫星。而韦伯望远镜,它将在距地球150万千米的地方上班,它成了太阳的卫星而非地球的。舍近求远的目的是因为这个地方有点特殊,叫第二拉格朗日点,那是个神奇的地方,国内外很多精彩的科幻小说常把其当场景。

  很容易就能发现,八大行星中,离太阳越远的行星,绕太阳转一圈需要的时间就越长,如海王星绕太阳一周需要164.8年。那么有没有这样的特殊情况?即,一个在地球外围的小物体,因其绕日轨道比地球稍长,故其绕日周期比地球也稍长,但因为它在地球附近,所以地球对其始终有一个引力,这个引力不大不小,恰好拉了它一把,以致其能跟随地球同步绕太阳公转?有的,这便是第二拉格朗日点。

  在这个地方,望远镜、地球和太阳基本上三点成一线,相对位置始终保持不变,且望远镜可以一直保持背向太阳和地球的方位,易于保护和校准,更易于隔绝来自太阳、地球和月球的热量干扰,最后,因其受到其它星体的引力干扰最小,不必来回地调整方位,这意味着可以节省大量的燃料。也就是说,少量的燃料就可以让望远镜在第二拉格朗日点长期驻留。

  韦伯望远镜的后面永远是月球、地球和太阳,它能非常好地隔绝来自这三者的各种干扰。

  问题来了,何时发射?

  “别提了,说出来全是泪!”韦伯望远镜说,“本来哈勃老哥2010年退休。可谁知,他大修一次后,我就被推迟到2013年上任。实际上哈勃他总共大修五次啦!”

  “更伤心的是,因财政预算紧张、项目超支等问题,2011年7月,美国众议院投票决定:在2012年的预算案中,终止为我拨款,……”

  “还好。”韦伯忍不住又说,”天文学家们积极行动起来,纷纷呼吁国会恢复对我的支持。作为妥协,2011年9月,NASA制定了一个2018年发射的新计划,这才换来了国会对我的重新支持。好个伤心的2018!不说了,我的眼睛又湿润了。”

  对此,美国宇航局NASA有话说:“嗨,韦伯老弟,哈勃虽然被大修了五次,但你知道吗?它离地球只有570千米,乘坐飞船去维修它虽然代价高昂,但也是一件可行的事。而你……要是坏了!”NASA的眼睛也湿润了,“真的,我们除了抱在一起痛哭一场外,真的很难再有其它补救措施。所以,请理解,我们为了你绝对的高可靠性,而在时间上做出的牺牲。”

  嘿,对以上问题,天文学家们才不管呢,因为他们是一群不知疲倦的人——在韦伯望远镜还没升空的今天,据说他们又开始计划韦伯的接班人了!

  经此一次,NASA想必应该懂得了这个道理:你要不给天文学家们找点事做,他们就会给你找事做!

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责任编辑:李阳阳

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