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    • 耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

      来源:腾讯太空
      文:乔辉

      北京时间2021年12月25日20点20分,著名的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁航天发射中心升空,接下来大约需要一个月的飞行,它将抵达距离地球150万公里的日地拉格朗日L2点。


      这台望远镜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。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

      图注:韦伯VS哈勃

      韦伯望远镜是目前发射的最大太空望远镜,口径达到了6.5米,由18块六边形镀金镜片拼接而成。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。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:哈勃望远镜和韦伯望远镜主镜大小比较

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:韦伯的镜面上镀有一层黄金,用于更好反射红外线

      韦伯望远镜与哈勃望远镜最大的差异在于它们的工作波段不同。韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区,以及少部分可见光区,而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区,以及少部分近红外光区。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

      得益于大口径的红外观测能力,韦伯望远镜有望观测到早期宇宙中的恒星和星系,能够加深我们对恒星和星系的形成以及演化的理解,甚至还能够直接探测到系外行星的大气成分,探索外星生命存在的迹象。

      一、韦伯望远镜“鸽王”昵称的由来

      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。这架望远镜的研发起始于1996年,本来计划2007年发射,初始预算5亿美元,然后就开始了“放鸽子”的漫漫征途。

      • 1998年,预算扩充至10亿美元,并将发射计划推迟至2008年。

      • 2000年,预算扩大至18亿美元,发射推迟至2009年。

      • 2002年,预算扩大至25亿美元,发射推迟至2010年。

      • 2003年,发射推迟至2011年。

      • 2005年,预算扩大至30亿美元,发射推迟至2013年。

      • 2006年,预算扩大至45亿美元,发射推迟至2014年。

      • 2008年,预算扩大至51亿美元。

      • 2010年,预算扩大至65亿美元,发射继续推迟到2015年。

      • 2011年,预算扩大至87亿美元,发射推迟至2018年。

      • 2013年,预算扩大至88亿美元。

      • 2017年,发射推迟至2019年。

      • 2018年,发射推迟至2020年。

      • 2019年,因新冠疫情,发射推迟至2021年,预算追加到97亿美元。


      二、韦伯望远镜是哈勃望远镜的继任者?

      韦伯望远镜和哈勃望远镜一样,都是耗资巨大的“旗舰级”天体物理项目,从这个意义上讲可以看作哈勃望远镜的继任者。但从严格科学意义上讲,两者更多的是互补关系。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:韦伯和哈勃的大小比较

      文章开头我们提到,韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区,以及少部分可见光区,而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区,以及少部分近红外光区。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:哈勃和韦伯的观测波段

      韦伯望远镜主要用于研究更加早期宇宙中恒星和星系的诞生过程。从科研目标上看,韦伯望远镜更可以看作另一台已退役了的红外太空望远镜——斯必泽望远镜的继任者。

      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。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:距离地球150万公里的拉格朗日L2点

      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。

      三、为什么要把韦伯冒险发射至距离地球150万公里的深空?

      上面我提到,哈勃望远镜其实离我们并不远,每天在距地面500公里的上空飞行。1990年发射升空后就出现了大问题,由于镜片磨制工艺的缺陷,变成了“近视眼”,成像非常模糊。2003年,NASA派遣了奋进号航天飞机首次对哈勃进行了成功的修复,其后又进行了四次在轨维修任务。

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      图注:当年NASA派航天飞机修复哈勃望远镜的情景

      韦伯望远镜运行在距离地球150万公里的深空,相当于地球到月球距离的4倍!在这个距离上,一旦出现问题,依照目前人类的航天能力,是无法进行在轨修复的。问题来了,为什么研发超过20多年,耗资接近100亿美元的望远镜做成了“一锤子买卖”,被放置到那么遥远的距离?

      回答这个问题,还是要从韦伯望远镜的工作原理和达成的科学目标上进行理解。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:韦伯望远镜巨大的多层遮光罩

      我们知道,太阳、地球和月球都向外散发出大量的热辐射,其中包含大量的红外成分,韦伯望远镜主要工作在红外波段,如果把韦伯望远镜放置在地球轨道上,就会受到太阳和地月系统强烈红外辐射的干扰,根本无法看清更加遥远天体微弱的红外辐射。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:遮阳罩起到重要的降温作用

      因此,必须要让韦伯望远镜远离地月系统,然后再携带一件五层的硕大遮阳罩,对太阳光进行遮挡。在遮阳罩的遮挡下,镜片的温度可以低至零下223摄氏度,满足对近红外观测的需求。中红外光区的观测还需要在制冷机的作用下进一步降温。

      四、日地拉格朗日L2是个什么特殊的地方?

      如果仅仅考虑把韦伯望远镜发射到远离地球遥远的深空,是不是任何深空点都行呢?当然不是了!经过多方考虑,最好是太阳和地球连线的外侧,距离地球150万公里的被称为拉格朗日(L2)的地方,在这个地方,太阳和地球共同的引力牵引着韦伯望远镜绕太阳公转,且公转周期和地球公转周期一致,这样就能保持韦伯望远镜和地球之间距离的稳定,有利于测控和信息回传。

      拉格朗日是法国著名数学家和物理学家。学过微积分的朋友,应该都对拉格朗日不陌生。由于是他最早提出了两个大天体周围的几个特殊的引力点,因此这些特殊的点以他的名字命名。

      你可能猜到了,有拉格朗日L2,就有朗格朗日L1。没错,除了L1和L2,还有L3 、L4、L5。L1点位于太阳和地球连线之间,距离地球也是150万公里,最适合放置太阳观测望远镜。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:太阳和地球周围的五个拉格朗日点

      五、韦伯望远镜的主要科学目标是啥?

      据官方资料,韦伯望远镜主要有四大观测目标,总结如下:

      • 观测宇宙大爆炸之后不久第一批恒星和婴儿星系发出的光芒;

      • 研究星系的形成和演化;

      • 理解恒星和行星系统的形成;

      • 观测系外行星上生命存在的迹象;


      这些都是在红外波段下能够更加有效观测的科学目标。

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      图注:镜片上的配图体现了韦伯望远镜的观测目标(艺术图)

      六、为什么采用阿丽亚娜5型运载火箭发射?

      阿丽亚娜5型运载火箭(Ariane 5)是欧空局研制的一款重型运载火箭,近地轨道的运载能力为20吨,仅次于我国长征五号火箭25吨的运载能力。地球同步转移轨道的运载能力为10吨。重6吨的韦伯望远镜用这枚火箭发射比较匹配。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:韦伯望远镜折叠后放入火箭整流罩

      除了运载能力的要求,还要求火箭必须配备巨大的整流罩,能够容纳下巨大的望远镜(尽管发射时处于折叠状态,一般的火箭整流罩也难以容纳)。

      最重要的一条要求是,火箭必须稳定可靠!阿丽亚娜5是一款久经考验的老火箭,再发射7、8次就要退役了,接替它的将是阿丽亚娜6型火箭。

      除了以上三个因素,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。

      七、韦伯望远镜和我国贵州“天眼”望远镜有什么区别?

      身边有朋友问到这个问题,这里也简单回答一下。这两种望远镜的区别可真是太大了,比韦伯和哈勃的区别要大得多。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

      位于我国贵州的FAST望远镜,俗称“天眼”望远镜,口径达到了500米,但FAST望远镜是地基望远镜,主要在射电波段(波长在0.1米到4.3米)工作。由于大气层对射电波段的透明度较好,这种类型的望远镜在地面上工作得就很好。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了
      图注:不同波段的电磁波透过大气的难易程度不同

      韦伯望远镜是红外望远镜,地球大气层中的水蒸气和二氧化碳对红外线的吸收比较强烈,因此要发射到太空中去观测,复杂程度和造价指数升高。

      耗资100亿美元,花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

      不同类型的望远镜能够看到不同景象的宇宙,发现不同的奥秘。大约半年后,韦伯望远镜有望传回它的第一幅宇宙照片,让我们一起期待!
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