天基望遠(yuǎn)鏡

□ 王寶伊 聞新

天基望遠(yuǎn)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(yùn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)，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(yuǎn)鏡

▲ 哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的方案，但直到1990年，哈勃望遠(yuǎn)鏡才成為第一個部署在太空的天文觀測站。它填補(bǔ)了地面天文觀測的缺口。哈勃望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(jì)劃一旦具備回收能力時，將把它送進(jìn)美國歷史博物館。哈勃望遠(yuǎn)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(yuǎn)宇宙形態(tài)等，也啟發(fā)他們思考更深層的問題。

韋伯望遠(yuǎn)鏡的命名

▲ 詹姆斯·韋伯

▲ 韋伯望遠(yuǎn)鏡

美國宇航局設(shè)計(jì)了哈勃望遠(yuǎn)鏡的接班人——“詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”，簡稱“韋伯望遠(yuǎn)鏡”。韋伯望遠(yuǎn)鏡最初曾被命名為“新一代空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡。

為什么更名呢？這是因?yàn)轫f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(jì)劃和“阿波羅登月”計(jì)劃等。所以，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡寄托著人們的厚望。

韋伯望遠(yuǎn)鏡與哈勃望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡跟隨地球繞太陽轉(zhuǎn)，同時每198天繞L2點(diǎn)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(yuǎn)鏡是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，它與韋伯望遠(yuǎn)鏡的一個重要不同點(diǎn)在于韋伯望遠(yuǎn)鏡是一個大型的紅外線望遠(yuǎn)鏡，韋伯望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡與哈勃望遠(yuǎn)鏡還有一個最大的差異，韋伯望遠(yuǎn)鏡的奇特主鏡，可以讓觀測精度高于哈勃望遠(yuǎn)鏡的很多倍，進(jìn)而可以為人類提供更翔實(shí)的遙遠(yuǎn)宇宙細(xì)節(jié)。

另外，韋伯望遠(yuǎn)鏡將被部署在比哈勃位置更遠(yuǎn)的L2點(diǎn)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(yuǎn)鏡也是一部強(qiáng)大的時間機(jī)器，可觀測到宇宙誕生之后的第一批星系?？茖W(xué)家認(rèn)為如果哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測成果修改了所有教科書，那么韋伯望遠(yuǎn)鏡將再次改寫所有課本。

什么是L2點(diǎn)？

▲ 太空中的五個拉格朗日點(diǎn)（上）和位于L2點(diǎn)的韋伯望遠(yuǎn)鏡（下）

前面提到了韋伯望遠(yuǎn)鏡部署在L2點(diǎn)上。那么，什么是L2點(diǎn)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(diǎn)。在太空里，目前這樣的點(diǎn)一共發(fā)現(xiàn)5個，被稱為拉格朗日點(diǎn)，L2點(diǎn)是5個拉格朗日點(diǎn)之一。L2點(diǎn)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(diǎn)上，韋伯望遠(yuǎn)鏡長期駐留只需消耗很少的燃料。

韋伯望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)

▲ 韋伯望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)組成

韋伯望遠(yuǎn)鏡是一臺大型太空紅外線望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡質(zhì)量的一半。主鏡由鈹制成，口徑達(dá)到6.5米，面積為哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡——凱克望遠(yuǎn)鏡，并讓韋伯的鏡面得以擴(kuò)展，強(qiáng)度得以增加。

韋伯望遠(yuǎn)鏡將證實(shí)宇宙形成的歷史

▲ 韋伯望遠(yuǎn)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(tuán)。隨著宇宙后來的擴(kuò)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?，它們的光線和輻射與氫氣發(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(xì)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(yuǎn)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。