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史上最强太空望远镜发射升空:耗资百亿美金,韦伯太空望远镜能看到什么?

总耗资约100亿美元,历时20多年建造,最大的太空望远镜——韦伯望远镜终于发射,开启了探索宇宙起源奥秘和系外行星之旅。

法国当地时间12月25日13时15分(北京时间25日20时15分),美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁基地成功发射升空,开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。这次发射使用了阿丽亚娜5号火箭,火箭已经进入最终轨道。

詹姆斯·韦伯太空望远镜,由美国宇航局主持建造,以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯命名,以纪念他对阿波罗登月计划做出的重要贡献。如果一切顺利,詹姆斯·韦伯太空望远镜将在一个月之内进入太阳轨道,大约离地球100万公里。

以折叠状态发射升空

韦伯望远镜是有史以来性能最强大、造价最高的太空望远镜。它重6.2吨,口径达到了6.5米,由18块六边形镀金镜片拼接而成;遮阳板展开后,面积相当于一个网球场的大小。相比之下,哈勃望远镜的口径为2.4米。望远镜的口径越大,一方面能够收集更多的光子,看到更暗弱的天体;另一方面能够增加分辨率,看清更多的细节。

韦伯望远镜主要的光学结构采用了“三反射镜消像散系统(Three-mirror anastigmat)”,光在到达拍摄的传感器前会经过三次反射,每次反射都有特定的目的。

第一块主镜需要足够大,像水桶一样把来自宇宙的尽可能多的光收集起来并汇聚到一块很小的二级镜面上。所有的光会经过三级镜面的反射到最后的微调镜上。这块微调镜会补偿航天器移动带来的误差,其功能可以理解为相机的稳定器。经过这一系列光学组件后,光就到了最后成像之处了。

不过,由于体型巨大,韦伯望远镜以折叠状态发射升空。对研究人员而言,以遥控方式将进入太空的韦伯望远镜展开,使其每个部件完美就位,将是此次发射任务“最具挑战性的环节”。

在火箭发射的8分钟轰鸣声中,韦伯望远镜将进入太空,接受着剧烈的震荡与摇晃考验。一旦进入太空,便无人可以修理。

据悉,韦伯此行的终点是日地拉格朗日点2(L2),一个引力稳定点,距地大概150万公里,大约是地球和月亮之间距离的4倍,到达那里需耗时1个月,它将与地球同步环绕太阳运行,始终停留在地球夜面。发射一周后韦伯开始陆续启动各种精密机构,包括140个释放机构、70个铰链组件、400个滑轮、90根电缆和8台展开电机等。

韦伯望远镜到达观测位置后,研究人员需再花费5个月对它开展各项检查,预计望远镜2022年6月底前可正式“上岗”。

“鸽王”昵称的由来

韦伯望远镜由300多个部件构成。美国国家航空航天局(NASA)局长比尔·纳尔逊曾表示:“任何一个出现故障,(发射日)都会变成糟糕的一天。”

韦伯望远镜也因其研发周期长、耗资巨大而闻名于世,被戏称为“鸽王”望远镜。

实际上,早在哈勃望远镜升空前一年(1989年),韦伯太空望远镜项目就已经提出来了,当时的名字是NGST(Next Generation Space Telescope,下一代空间望远镜)。次年哈勃升空后,第一张照片模糊得令人失望,直到1993年修复了主镜缺陷并更换相关仪器后才算好些。

1996年开始,NASA就邀请各大公司来参与投标这种复杂的“下一代太空望远镜”研制。经过激烈角逐,TRW公司于2002年获得了NASA授予的8.25亿美元的合同,建造韦伯太空望远镜,这台跨时代超级空间观测设备的研制就此正式启动。

根据最初设想,韦伯望远镜的发射时间在2007年,但随即就被推迟了。哈勃望远镜计划于2010年被航天飞机带回地面,“继任者”韦伯望远镜的发射时间也被定在2010年左右。但后来由于TRW公司被收购、项目超支、新冠疫情等种种因素,韦伯望远镜的发射时间也从2007年,到2010年,再到2018、2020年,一拖再拖到今年。

一份2017年的报告显示,韦伯项目的总花费已经超过113亿美元。

作为美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局的联合项目,韦伯太空望远镜在发射前经历了一段辗转多地的超长途旅程——它的组装于2013年在马里兰州开始,2017年又到得克萨斯州继续进行低温测试,2018年起则被运送到NASA的戈达德太空飞行中心。直到今年9月24日,它被运送到港口,经过16天、9300公里的海洋之旅到达法属圭亚那的发射中心。

即使在发射前夕,韦伯太空望远镜依旧将“鸽王本色”发扬到底。11月22日,NASA发布消息称,由于在与运载火箭的连接过程中有一条夹带意外松开,导致整个望远镜产生了震动,原定于12月18日的发射时间被再度推迟到12月22日。

NASA最后确定韦伯的发射时间为圣诞节20点20分(北京时间),作为一份圣诞礼物送给所有为这个项目付出过的科学家和全球的天文爱好者们

韦伯望远镜是哈勃望远镜的继任者?

与哈勃望远镜相比,韦伯望远镜具有两大特点:

其一是巨大的体积,直径21.3英尺的主镜使其成为人类历史上看得最远的望远镜。

其二是强大的红外线观测功能,韦伯望远镜将是太空中唯一一台可以进行远距离观测的红外线望远镜,能够看到更多过去观测不到之处,成为我们“全新的眼睛”。

从严格科学意义上讲,韦伯望远镜是哈勃望远镜更多的是互补关系。

美国康奈尔大学专家妮科尔·刘易斯表示,韦伯望远镜能观测到哈勃望远镜观测不到的目标,提供“令人惊叹的全新观测宇宙视角”。

哈勃望远镜1990年发射升空,迄今已度过32个春秋,虽然经历过很多曲折,尤其是最近一段时间,计算机时常出现问题,但迄今仍然坚持为人类传回精美的宇宙照片。不出意外的话,哈勃望远镜能够工作至2030年代,甚至2040年代。

韦伯望远镜与哈勃望远镜运行的轨道不同,前者运行在距离地球外侧150万公里的拉格朗日L2点,后者在距离地球仅500公里的轨道上运行。这意味着哈勃望远镜出现问题,还能够在轨维修,而韦伯望远镜一旦出现问题,按照目前人类的航天能力,还真爱莫能助。

韦伯望远镜运行的L2点是不稳定的,要靠消耗燃料动态维持,按照燃料的消耗速度,该望远镜的预期工作寿命为10年。估计到那时,哈勃望远镜仍健在。

韦伯望远镜四大主要目标

韦伯望远镜项目的科研负责人约翰·马瑟(John Mather)曾在采访中介绍过韦伯望远镜的四大主要目标:

首先,它将尝试观测“大爆炸”后出现的第一批天体,例如星系、黑洞和超新星;其次,它将观测星系是如何随着时间推移而成长的,那可能是经过了许多小型天体的聚拢和融合;第三,它将观测恒星和行星系统是如何在气体尘埃云内部形成的;最后,它将观测其他恒星周围的行星以及我们身处的太阳系本身,以了解这些天体系统随着时间推移是如何成长和变化的,并帮助了解地球是如何具备存在生命的条件的。

据了解,韦伯太空望远镜一旦能够成功启用,将会是史无前例的宇宙“时光机”,带我们看到大约70亿-130亿年前的宇宙样貌,几乎在“宇宙大爆炸”的同期

韦伯望远镜配备了一项名为中红外仪器(MIRI)的新技术,将使用相机和光谱仪来观察电磁光谱中红外区域的光,这是人眼看不见的。

“这将彻底改变我们看待行星大气层的方式。我们要去看看它们的内部结构!”参与MIRI研究的法国航天局专家皮埃尔-奥利弗·拉吉奇说。

发射地为何选择圭亚那?

1964年,法国在圭亚那库鲁地区建成火箭发射中心,欧洲航天局在此从事阿丽亚娜火箭的发射业务。欧洲航天局是一个欧洲数国政府间的空间探测和开发组织,总部设在法国首都巴黎,负责阿利亚娜4号和阿利亚娜5号运载火箭的研制与开发。

欧洲航天发射中心占地约9万平方公里,由法国国家空间研究中心领导,主要负责科学卫星、应用卫星和探空火箭的发射以及与此有关的一些运载火箭的试验和发射。

圭亚那靠近赤道,对火箭发射具有很大益处:由于此地靠近赤道,纬度低,从发射点到入轨点的航程大大缩短,三子级不必二次启动;相同发射方位角的轨道倾角小,远地点变轨所需要的能量小,增加了同步轨道的有效载荷;向北和向东的海面上有一个很宽的发射弧度,空中及海上交通都很方便;此地人口稀少,在9万平方公里的土地上只有5万居民。另外,库鲁地区虽然靠近赤道,但气候比较温和,年平均气温27℃,年平均降雨量3000~4000毫米,全年分旱季、雨季,风力不大,处于飓风区之外。

此外,还有一个因素是,欧空局作为韦伯望远镜的合作方之一,承担望远镜的发射任务。

(钛媒体App编辑武枫叶综合自腾讯太空、南都、经纬中国)

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