韋布望遠(yuǎn)鏡探知浩渺宇宙 各望遠(yuǎn)鏡波長(zhǎng)不同功能迥異

科學(xué)家給了它一雙“大眼睛”，它決心去往遙遠(yuǎn)的地方，探知浩渺宇宙的微妙波動(dòng)。

2021年12月25日，迄今為止體積最大的空間望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡(以下簡(jiǎn)稱韋布望遠(yuǎn)鏡)升空，將于不久后到達(dá)距離地球150萬(wàn)公里的第二拉格朗日點(diǎn)。

苛刻工藝致使發(fā)射推遲14年

“韋布望遠(yuǎn)鏡之大，不僅是體積大，更是功能集大成者。”華中科技大學(xué)天文學(xué)系副教授張華年說(shuō)，該望遠(yuǎn)鏡的主鏡直徑達(dá)6.5米，有效面積25.4平方米，由18塊邊長(zhǎng)約0.75米，面積約1.4平方米的正六邊形小鏡面拼接而成，重約6.5噸，副鏡則為直徑約0.74米的圓形鏡面。

為阻止外來(lái)熱量及儀器自身產(chǎn)生的熱量所造成的紅外線污染，天文學(xué)家給韋布望遠(yuǎn)鏡裝上了5層“遮陽(yáng)傘”，每層長(zhǎng)約21.197米、寬約14.162米，大小如網(wǎng)球場(chǎng)，厚度近乎頭發(fā)絲。

同時(shí)，為提高鏡面反射能力，工程師在主鏡上鍍了一層厚度僅為頭發(fā)絲十分之一的“土豪金”。

韋布望遠(yuǎn)鏡空間分辨率達(dá)到0.1角秒，工作波長(zhǎng)范圍位于近紅外和中紅外波段(0.6—28.5微米)，設(shè)計(jì)服務(wù)年限5—10年。

張華年介紹，受運(yùn)載火箭大小限制，韋布望遠(yuǎn)鏡必須折疊起來(lái)才能塞進(jìn)火箭，在航行中一步一步慢慢展開，這對(duì)加工工藝要求幾近苛刻，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡發(fā)射推遲14年之久，最終預(yù)算超過(guò)100億美元。

他表示，韋布望遠(yuǎn)鏡主要由4個(gè)探測(cè)儀器構(gòu)成，即近紅外照相機(jī)、近紅外光譜儀、中紅外設(shè)備、近紅外成像器與無(wú)縫光譜儀。

其中，近紅外照相機(jī)和中紅外設(shè)備主要由美國(guó)亞利桑那大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)。

此前在該校讀博的張華年，曾與領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)這兩個(gè)儀器的教授，對(duì)儀器的設(shè)計(jì)和工作流程進(jìn)行過(guò)交流。他表示，近紅外照相機(jī)可以幫助韋布望遠(yuǎn)鏡完成最重要的探索任務(wù)，再由可同時(shí)觀測(cè)100個(gè)物體的近紅外光譜儀來(lái)認(rèn)證近紅外照相機(jī)拍攝到的“奇異”天體;中紅外設(shè)備則集合中紅外相機(jī)與中紅外光譜儀于一體，無(wú)縫光譜儀能極大提高望遠(yuǎn)鏡對(duì)多天體的探測(cè)效率。

探尋宇宙大爆炸后“第一縷光”

張華年直言，籌備近30年，等待14年之久的韋布望遠(yuǎn)鏡，其科學(xué)目標(biāo)極其宏大。韋布望遠(yuǎn)鏡志在尋找宇宙大爆炸后“第一縷光”，即第一代星系、恒星或亮物體。

若韋布望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到第一代星系，結(jié)合其他望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙不同時(shí)期各類星系的觀測(cè)，天文學(xué)家就能研究星系是如何一步一步成長(zhǎng)的，從而描繪出星系演化的完整圖景。

同時(shí)，韋布望遠(yuǎn)鏡也可探測(cè)一些正在形成的恒星系統(tǒng)。在活躍的恒星系統(tǒng)中，其外圍會(huì)先形成氣體與塵埃構(gòu)成的冷盤，冷盤內(nèi)正在形成類似地球與木星的行星，它們發(fā)出的輻射集中在紅外區(qū)域，但極其微弱。由于韋布望遠(yuǎn)鏡所在的空間背景“噪聲”極低，加上相比哈勃望遠(yuǎn)鏡更大的口徑，可以展示更多冷盤細(xì)節(jié)，揭露恒星形成的“真實(shí)面貌”。這對(duì)研究恒星形成、恒星原初質(zhì)量函數(shù)等具有劃時(shí)代意義。

此外，韋布望遠(yuǎn)鏡還可以測(cè)量太陽(yáng)系及系外行星的物理和化學(xué)參數(shù)。對(duì)一些特殊恒星系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如其中某些行星遮住了母恒星，韋布望遠(yuǎn)鏡就可捕獲母恒星被行星大氣折射的星光，據(jù)此分析行星大氣的化學(xué)成分和物理參數(shù)，甚至確定行星上是否存在液態(tài)水，是否適合生物生存，為人類尋找外來(lái)文明提供更多可能性。

各望遠(yuǎn)鏡波長(zhǎng)不同功能迥異

使命不凡，戰(zhàn)友同在。仰望星空，還有一些“大眼睛”正在緊張工作，試圖“看”得更遠(yuǎn)、“看”得更清。

張華年介紹，空間望遠(yuǎn)鏡靠收集宇宙光線進(jìn)行探測(cè)，而光是一種電磁波，探測(cè)不同波長(zhǎng)的光對(duì)望遠(yuǎn)鏡加工工藝和技術(shù)細(xì)節(jié)的需求完全不同。所以星空中才會(huì)有那么多不同類型的望遠(yuǎn)鏡，代替我們?nèi)?ldquo;看一看”這個(gè)宇宙。

哈勃望遠(yuǎn)鏡于1990年升空，位于近地軌道約500公里處。其主鏡為2.4米的單一鏡面，有效面積遠(yuǎn)小于韋布望遠(yuǎn)鏡，但重量卻約為韋布望遠(yuǎn)鏡的兩倍，且波長(zhǎng)覆蓋范圍正好與韋布望遠(yuǎn)鏡互補(bǔ)。

“與其說(shuō)韋布望遠(yuǎn)鏡是哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，不如說(shuō)是相輔相成的合作者。”張華年說(shuō)。

于1999年升空的錢德勒X光望遠(yuǎn)鏡，和哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣，被美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)選為“旗艦機(jī)”。錢德勒X光望遠(yuǎn)鏡相比韋布望遠(yuǎn)鏡，堪稱超級(jí)“迷你”版，外圍僅1.2米，有效收光面積只有0.04平方米，重量卻有近5噸，和韋布望遠(yuǎn)鏡不相上下。其工作軌道為橢圓軌道，近地點(diǎn)高度約1.4萬(wàn)公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度約13萬(wàn)公里。

與錢德勒X光望遠(yuǎn)鏡較接近的另一架望遠(yuǎn)鏡是蓋雷斯望遠(yuǎn)鏡，也是一款“迷你”望遠(yuǎn)鏡，直徑0.5米，工作波段在紫外線區(qū)域，位于距地球700公里左右的軌道。

張華年說(shuō)，盡管錢德勒X光望遠(yuǎn)鏡超級(jí)“迷你”，取得的成果卻不落下風(fēng)：第一次觀測(cè)并描繪超新星爆發(fā)的遺跡、第一次用X光探測(cè)到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的發(fā)射線、首次在伽馬暴事件GRB 991216中發(fā)現(xiàn)X光發(fā)射等，都是該望遠(yuǎn)鏡的“杰作”。

同時(shí)，耗資近8億美元的斯皮策望遠(yuǎn)鏡于2003年升空，主鏡0.85米，仍然非常“迷你”，設(shè)計(jì)工作波段在紅外區(qū)域。斯皮策望遠(yuǎn)鏡是第一架圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)而非圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，其軌道和地球差不多。

張華年介紹，斯皮策望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)離地球運(yùn)行在太陽(yáng)軌道，可最大程度降低來(lái)自地球的紅外輻射，并擁有天然的低溫環(huán)境。但在2009年，其用作冷卻液的液氦消耗殆盡，遠(yuǎn)紅外觀測(cè)終止，進(jìn)入“溫觀測(cè)”階段，工作溫度達(dá)到零下243攝氏度。

不過(guò)，韋布、哈勃、錢德勒、斯皮策等望遠(yuǎn)鏡都是通用“點(diǎn)源”望遠(yuǎn)鏡，即對(duì)宇宙中某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行深度曝光和光譜成像。

伴隨大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，未來(lái)空間望遠(yuǎn)鏡更多的是巡天望遠(yuǎn)鏡，即“面源”望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)鏡可以長(zhǎng)時(shí)間、大視場(chǎng)對(duì)宇宙不同天區(qū)進(jìn)行曝光，收集海量數(shù)據(jù)。

在張華年看來(lái)，“點(diǎn)源”和“面源”望遠(yuǎn)鏡好比攝影的兩個(gè)不同場(chǎng)景，“點(diǎn)源”類似棚拍，攝影師對(duì)著事先選好的目標(biāo)模特進(jìn)行拍攝，而“面源”如同街拍，攝影師在街上對(duì)著人群進(jìn)行大量拍攝，后期再挑選感興趣的目標(biāo)。

目前，國(guó)際上即將投入使用的巡天望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡和歐洲的歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡。

張華年介紹，我國(guó)研制的中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡口徑為2米，工作波段在0.3—1微米。其視場(chǎng)是哈勃的300倍，服役期間其觀測(cè)范圍可以覆蓋三分之一天區(qū)。高精度、大視場(chǎng)成像巡天，配合3通道無(wú)縫光譜巡天，中國(guó)空間站望遠(yuǎn)鏡將為未來(lái)宇宙學(xué)、星系形成與演化、暗物質(zhì)暗能量、系外行星尋找等方面的研究提供幫助。(本報(bào)記者 吳純新 通訊員 高 翔)

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關(guān)鍵詞： 韋布望遠(yuǎn)鏡 發(fā)射 宇宙 大爆炸