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仪器越先进,责任就越大,JWST望远镜如何成为新的人类之眼?
2019-08-21           作者: 网络来源

哈勃的完美谢幕

仪器越先进,责任就越大,JWST望远镜如何成为新的人类之眼?

 

詹姆斯韦伯太空望远镜是以美国宇航局局长詹姆斯·韦伯的名字命名的,詹姆斯韦伯从1961年到1968年接管了美国宇航局,他为美国登月贡献了很多……

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詹姆斯·埃德温·韦伯,美国宇航局第二任局长

韦伯将成为未来十年的主要天文台和观测仪器,为全世界数以千计的天文学家服务。它将带我们回到过去,研究宇宙历史上的每一个阶段,从宇宙大爆炸之后的第一束光芒,再到星系等宇宙大结构和超大结构的动向,比如融合,撕裂,结构等等,最后詹姆斯韦伯太空望远镜还会研究我们自己太阳系的演化过程。

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哈勃太空望远镜,现代宇宙学的重要观测设备

1990年,哈勃太空望远镜开始运行,使它成为第一个太空天文台,哈勃带领我们看到了遥远的宇宙。它向我们展示了我们宇宙的样子,以及宇宙在数十亿年中是如何变化和成长的。哈勃还向我们展示了数十亿年前星系是如何不同的,并揭示了形成我们今天宇宙的微弱而遥远的星系是什么样子。

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哈勃28周年生日观测

但是有一些问题是哈勃无法为我们回答:

最初的恒星和星系是什么样的?

恒星是如何在原始星盘中形成的?

地球大小的世界的大气是什么样的,它们是否包含生命的特征?

我们需要看多远才能看到原始宇宙?

早期的恒星和星系是如何聚集起来的?

……

新观测革命——詹姆斯韦伯太空望远镜

面对这些问题,需要一个革命性的新天文台,它就是詹姆斯·韦伯太空望远镜。

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詹姆斯韦伯太空望远镜的全尺寸模型,完整的展开结构

在波长和灵敏度方面,詹姆斯韦伯太空望远镜与哈勃在大小(主)和其他望远镜阵列(内嵌)上相比较,它的大小确实是前所未有的。詹姆斯韦伯太空望远镜将使用红外光来研究宇宙历史上的每一个阶段,从大爆炸之后的第一次发光,之后到能够支持地球等类地行星上生命的形成,或者是恒星的形成。

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詹姆斯韦伯太空望远镜是有史以来最大的望远镜

功能越强,责任越大,这就引出了詹姆斯韦伯太空望远镜的关键任务:我们能测量这些遥远星系的什么特性?天文学家对附近星系观测的非常详细,比如它们的形状,颜色,大小,类型等等。但是,通过使用对可见光频率敏感的望远镜(如紫外线、射电和红外线)来观察它们,我们就可以发现银河系恒星群的线索,以及它与我们之间的详细距离。

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詹姆斯韦伯太空望远镜渲染图

通过尽可能多地观察不同种类的星系,我们可以创建一个光谱列表,这个光谱列表可以让我们看到星系在每一种光谱中的亮度与对比度。因为宇宙在膨胀,我们的太空望远镜探测到的电磁波沿着方向一直延伸,而光谱中的伸展量和星系与我们之间的距离成正比,这个理论也叫做哈勃定律。这个光谱列表还可以揭示其他性质,如恒星的总质量、星系内形成恒星的速度以及恒星群的详细年龄。

就在几个月前,一组来自美国和欧洲的天文学家使用了哈勃太空望远镜和斯皮策红外空间望远镜去发现迄今为止最遥远的星系,GN-Z11。

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GN-Z11星系,距离我们134亿光年

GN-Z11正以每年20倍的速度形成恒星。令人惊讶的是,在第一颗恒星开始形成后的两亿到三亿年后,一个如此庞大的星系就形成了。任务小组的一名研究人员Garth Illingworth解释说:“要想这么快地形成一个十亿太阳质量的星系,就需要非常快的成长,以巨大的速度产生恒星。”

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詹姆斯韦伯太空望远镜主镜大小是由科学家和工程师决定的,研究小组决定将铍制成镜面,铍既结实又轻

如此古老,如此庞大星系结构存在,与当前某些宇宙理论发生了冲突,给致力于星系形成和演化建模的天文学家们带来了新的挑战。这个时候,就需要詹姆斯韦伯太空望远镜了,它肯定会发现许多这样古老的星系,还可以追溯到第一批星系形成的时候。”Illingworth说。

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詹姆斯韦伯太空望远镜的四个科学仪器被安置在一个名为“综合科学仪器模块”的单元中

詹姆斯韦伯太空望远镜计划于2021年3月发射,并将在离我们144万千米的一个特殊位置绕太阳和地球系统运行。和哈勃一样,詹姆斯韦伯太空望远镜将携带多个现在最先进的观测仪器,它的主镜将比哈勃大近7倍,其频率范围将延伸到更远的红外区域。不同的频率范围将使詹姆斯韦伯太空望远镜能够探测到属于更远星系结构具有较高伸展性的光谱,同时詹姆斯韦伯太空望远镜还可以同时拍摄100个天体的光谱。

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工程师正在检查三个科学观测仪器的结构互通性

天文学家对詹姆斯韦伯太空望远镜寄予厚望,希望能够回到距离大爆炸仅1.5亿年的时间内,并发现第一批形成的星系。詹姆斯韦伯太空望远镜将帮助我们了解星系的形状是如何随时间变化的,以及控制星系相互作用和合并的因素是什么。

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现在发现很多类地星球,它们的恒星系和太阳系很像

詹姆斯韦伯太空望远镜不仅仅关注星系,通过在红外线下观察宇宙,我们将能够透过星尘的遮挡看到新生恒星,还可以看到其他恒星系内行星的形成。此外,詹姆斯韦伯太空望远镜一个被称为日冕图的特殊仪器将能够对其他恒星周围的行星进行科学数据立体成像,并有望发现几个能够承载生命的,真正类似地球的行星。

对任何一个对天空痴迷,对外星生命充满期待的人来说,下一个十年是一个非常令人兴奋的时期。

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詹姆斯韦伯太空望远镜的观测之路

哈勃带领我们看到了宇宙,可是它的功能现在来说是有限的。它的主镜长2.4米,只有目前正在建造的最强大的地面望远镜的1%的聚光能力。因为它离地球很近,它会接收到我们星球的热量,所以只能看到一点点红外线光谱,它主要局限于人类眼睛所能看到的相同类型的光。考虑到宇宙正在膨胀,其内部的辐射被转移成更红、更长的波长(红移),我们所能看到的距离是有很大限制的。

其实詹姆斯韦伯太空望远镜在升空之前,天文学家和詹姆斯韦伯太空望远镜任务团队已经为詹姆斯韦伯太空望远镜制定好了任务目标。

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宇宙的历史阶段

首要任务被称为观察宇宙第一次光和再电离过程:这是指宇宙在宇宙大爆炸之后的早期阶段。在大爆炸之后的第一阶段,宇宙是一个粒子的海洋,比如有电子、质子和中子等等,直到宇宙冷却到足以使这些粒子结合时,光才能出现。这个时代被称为“再电离时代”。

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NGC 5194和NGC 5195,两个星系正在融合

第二个任务就是星系结构融合观察:了解宇宙?怎样了解宇宙,一种很有用的方法来观察宇宙中的巨大结构是如何慢慢形成的。我们现在看到的螺旋星系和椭圆星系实际上是从数十亿年前不同形状演化而来的,詹姆斯韦伯太空望远镜的目标之一是回顾最早一批的星系,以便更好地理解这种演化。科学家们也在试图弄清楚我们是如何得到今天可见的各种星系,以及目前星系形成和聚集的方式。

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类似太阳系的恒星系

接下来的一个任务被称作恒星和原行星系统的诞生与毁灭:说到这个任务不得不说的就是鹰星云的创造之柱,这里是是恒星最活跃的地方之一。恒星在气体云中出现,随着恒星的生长,它们施加的辐射压力会吹走部分气体。然而,恒星在诞生的时候,有很多气体和尘埃云,它们组成了星盘,所以我们很难看到。詹姆斯韦伯太空望远镜的红外观测仪器将能够观察宇宙热源,包括这些即将诞生的恒星。

最后的一个任务是行星和生命起源:在过去的十年里,天文学家发现了大量的系外行星。詹姆斯韦伯太空望远镜的强大传感器将能够观察到更远的行星,而且能观察的更清楚,詹姆斯韦伯太空望远镜在某些情况下甚至可以对遥远星球的大气层进行成像。了解行星的大气和形成条件可以帮助科学家更好地预测某些行星是否适合居住。

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发射后近一个月,詹姆斯韦伯太空望远镜将开始进行轨道修正

这就是NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜明年发射的确切计划。18块镀金镜片提供了哈勃7倍的聚光能力,但重量只有哈勃的一半。它的轨道位置,在L2拉格朗日点,如此遥远,地球和月球的都不会影响到这个专注观察的人类眼睛,这也意味着它将不必对抗任何污染。

这台强大的望远镜配备了四个科学仪器,这些仪器都包含在集成科学仪器模块ISIM里面。詹姆斯韦伯太空望远镜的集成仪器将能够探测到来自深空中恒星和星系的光,以及围绕其他恒星运行的行星,接下来我们来看一看詹姆斯韦伯太空望远镜的科学仪器吧,首先是:

NIRCAM——近红外相机

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近红外相机安装在詹姆斯韦伯空间望远镜的飞行综合科学仪器模块ISIM中。NIRCAM刚刚集成到ISIM中

近红外相机是詹姆斯韦伯太空望远镜的主要观测仪器,它将覆盖红外波长范围是0.6至5微米,这使詹姆斯韦伯太空望远镜有望探测来自最早恒星和星系的光芒。NIRCAM还可以持续观测附近星系中的恒星群,NIRCAM还会观察银河系的部分区域。NIRCAM配备了日冕观测模块,天文学家可以捕捉到明亮物体周围非常微弱的物体的照片,比如恒星系统,这个高度仪器是由亚利桑那大学和洛克希德马丁公司共同研究制造的。

NIRSpec——近红外光谱仪

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欧洲宇航局工程师完成了NIRSpec的组装和测试工作

这种近红外光谱仪将用于把光线从物体中分散到光谱中,并在0.6至5微米波长范围内工作。天文学家通过使用NIRSpec分析天体的光谱,并发现温度、质量和化学成分等物理特性。该仪器经校准后,可同时观测100个物体,这使它成为第一台具有这种特殊超大容量的空间光谱仪。

MIRI——中红外仪器

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工程师们小心翼翼地将詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外仪器植入到美国宇航局戈达德太空飞行中心洁净室的飞行综合科学仪器模块ISIM中。

中红外仪器既包括照相机,也包括光谱仪,可以在电磁光谱的中红外区域捕捉到光。MIRI可以覆盖5至28微米的波长范围,同时MIRI的相机提供8了宽视场、宽成像,所以未来詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的图片会比哈勃太空望远镜拍摄的照片更宽广,深空图会包含更多星系。MIRI是由欧洲国家的一些科学家和工程师、美国宇航局喷气推进实验室和其他美国机构的科学家共同建造的。

FGS/NIRISS——精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪

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安装过程需要极其精细的工作,所以有很多工程师都参与了精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪的安装工作

精细制导传感器FGS为詹姆斯韦伯太空望远镜提供了精确指向观测目标的能力,从而能够捕获更高清晰度图像。近红外成像仪和无缝隙光谱仪NIRISS还可以用于研究宇宙电离时代后的光观测、系外行星探测和表征观测,以及外行星过境光谱等。这个仪器由加拿大宇航局和加拿大国家40多个科学机构共同研究。

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工程师正在检查分镜和詹姆斯韦伯太空望远镜的连接结构

通力合作的詹姆斯韦伯太空望远镜

詹姆斯韦伯太空望远镜是美国宇航局,欧洲航天局ESA和加拿大航天局CSA。这项合作始于1996年,目的是设计和建造一台值得成为NASA哈勃太空望远镜的科学继承者的望远镜。Northrop Grumman公司也是主要的工业合作伙伴,詹姆斯韦伯太空望远镜科学研究所会在发射后开始运营。

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这个设备是STTARS,运送太空望远镜包括其载荷都需要它,图片拍摄的位于休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心A室外

硬核太空望远镜各方面都准备好了,怎么发射呢?为了确保发射无误,美国宇航局和其他太空合作机构采用了慢工出细活的办法……首先整个科学仪器都需要在一个多层无尘室内,无尘室是用来装望远镜和组装每个科学载荷的。各个科学载荷从各地运来的时候都有专门的容器,叫做STTARS、STTARS有点像一个平面托盘,110英尺长,顶部有一个框架和一个明亮的白色圆顶盖子,它全材料都用特殊的磁设计,内部无灰尘。

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如何把詹姆斯韦伯太空望远镜装入阿丽亚娜5号火箭中?模拟图为我们展示了詹姆斯韦伯太空望远镜的折叠过程

詹姆斯韦伯太空望远镜的重量约为3650千克,当太阳屏蔽设备和飞行电子设备加进来的时候,它将变得更重。这架望远镜发射是必须折叠起来运送,大约有一辆校车那么大。装好后,詹姆斯韦伯太空望远镜被卡车运到附近的埃灵顿空军基地,装进一架经过特殊改装的军用运输机,然后飞往洛杉矶。

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责任编辑: 蔚 蓝 文章来源: 网络来源
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