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研发26年的詹姆斯·韦伯太空望远镜,终于传回来首张天体观测照片

来源:中国教育信息化网
作者:李志民

参考资料:https://jwst.nasa.gov/

前天(3月16日),美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,简称NASA ),又称美国宇航局、美国太空总署)宣布詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)成功完成首次精密校准调试,18个主镜面全部对焦于同一颗目标恒星,校准精度达到纳米级。下图为校准调试后拍摄的第一张高清照片,画面中最明亮的天体是距离地球2000光年的「2MASS J17554042+6551277」恒星,小亮点是更遥远的星系。 NASA 表示望远镜运行正常且性能「超出预期」。JWST 望远镜还需要进行6周科学仪器校准工作,预计今年6月正式开始进行科学观测。


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           JWST 首张观测照片

詹姆斯·韦伯太空望远镜项目启动于1996年,由欧洲空间局,加拿大航天局和美国国家航空航天局合作开发,此项目最初被称为“新一代太空望远镜”(Next Generation Space Telescope),2002年,为了纪念在阿波罗登月计划中做出突出贡献的NASA第二任局长詹姆斯·韦伯,改以其名字命名。作为人类探索宇宙的“新武器”“哈勃太空望远镜继任者”,韦伯太空望远镜于美国东部时间2021年12月25日7时20分以“折叠收纳”方式发射升空。起飞7天后,在该望远镜距离地球约 80.86 万公里时,按照计划完成了遮光罩的展开动作。一个月后飞至离地球约150万公里远的第二拉格朗日L2点工作区域,对遮阳板和镜片完全展开并且调试,3月16日成功完成首次精密校准调试,并拍摄了第一张高清照片。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是哈勃太空望远镜的“继任者”。1990年4月24日,哈勃太空望远镜由NASA的发现号航天飞机送入太空。哈勃已经成为了有史以来最著名、也最重要的天文望远镜,改变了我们对于宇宙的诸多认识,它还拍摄过许多已经成为经典的绝美太空照片了。哈勃望远镜曾被称为上个世纪人类四大科技成就之一(另三大成分别就是纳米、基因和互联网)。

为了保证观测效果,哈勃望远镜曾被多次维修,其中计划的第五次维修于2003年,由于哥伦比亚号航天飞机失事,七名宇航员全部遇难,这次事故让NASA的高层对是否对哈勃望远镜再进行维修犹豫不决。然而,由于韦伯望远镜研发进度受阻,宇航员们以及科研人员们都希望可以再次维修哈勃,让哈勃望远镜再发挥余热,于是,NASA在2009年再次执行对哈勃望远镜的第五次维修,这也是对哈勃望远镜的最后一次维修。三十多年过去了,哈勃望远镜的继任者上位。

韦伯望太空远镜原计划投资5亿美元,并计划于2007年发射升空。但由于各种原因,导致项目严重超支,到了2008年本应发射的节点上预算已经追加到了51亿美元。到了2017年,为了做更多更精细的测试,预算飙升到了88亿美元。2019年因为新冠疫情,发射又一次延迟,预算这时已经追加到了97亿美元。发射时间数次推迟,前后耗时26年,成为人类历史上造价最高,耗时最长的太空望远镜。

韦伯望远镜比哈勃望远镜具备更高的红外分辨率和灵敏度,观察物体的亮度可高达100倍,将在天文学和宇宙学领域进行广泛的研究,包括高达z≈20的红移观测。宇宙中一些最古老、最遥远的事件和物体,例如第一颗恒星和第一批星系的形成,并可以对潜在的宜居系外行星进行详细的大气表征分析。

 

詹姆斯·韦伯太空望远镜有四个主要目标:

1. 寻找大爆炸后在宇宙中形成的第一批恒星和星系的光

2. 研究星系的形成和演化

3. 了解恒星形成和行星系统的形成

4. 研究行星系统和生命起源


韦伯望远镜的主要任务是调查大爆炸宇宙论理论的残余红外线证据(宇宙微波背景辐射),通过观测寻找135亿年前宇宙大爆炸后诞生的第一批星系,研究各星系演化的各阶段。即探测宇宙大爆炸的余辉和初期诞生的星系,这些星系距离我们非常遥远,有明显的“红移“现象。他们发出的光已经从可见光波段红移到了红外光波段,所以,韦伯望远镜主要观测的就是红外波段,也有少部分偏橙色和红色的可见光波段。为此,它配备了高灵敏度红外电传感器、光谱器等。为便于观测,机体要能承受极度低温,也要避开太阳光与地球反射光等等。为此望远镜附带了可折叠遮光板,以屏蔽可能的干扰光源。并观测位置处于第二拉格朗日点L2,地球、太阳与望远镜三者的视界总处于一定的相对位置,不用频繁修正位置,也能让遮光板发挥功效。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的重量为6.2吨,约为哈勃太空望远镜(11吨)的一半。其拥有一个总直径6.5米,被分割成18面镜片的主镜,放置于太阳─地球的第二拉格朗日点。这意味着其将在地球-太阳连线上地球背后的150万公里处绕L2以晕轮轨道运行,而非像哈勃太空望远镜那样绕近地轨道公转。

哈勃太空望远镜位于从地表大约570公里的低轨道位置上。因此,即使光学仪器发生故障也可以用航天飞机前去修理。韦伯望远镜位于离地球150万公里的距离,即使出现故障也不可能派遣修理人员。但韦伯位于第二拉格朗日点上,重力相对稳定,故相对于邻近天体来说可以保持不变的位置,不用频繁地进行位置修正,可以更稳定的进行观测,而且还不会受到地球轨道附近灰尘的影响。


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詹姆斯·韦伯太空望远镜的全尺寸模型


 

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普通人(左)、哈勃太空望远镜(中)、詹姆斯·韦伯太空望远镜(右)尺寸大小对比


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普通地面天文望远镜、哈勃超深空与詹姆斯·韦伯太空望远镜成像距离对比(红字:红移值,白字:光与宇宙大爆炸的时间差)


韦伯望远镜5.jpg


韦伯望远镜是人类突破工程学上的难题,制作出更大,更轻,更复杂的太空望远镜;它也是国际间的科学合作的成果,韦伯望远镜是美国宇航局,欧洲航天局和加拿大航天局的联合项目;是哈勃太空望远镜的继任者。哈勃的成功毋庸置疑,它不单单是天文学的成功,也是社会学的成功,使普通的百姓也能获得最前沿的科学知识。哈勃和韦伯共同承载了人类对宇宙奥妙的探知和渴望,代表了人类向远的好奇心。


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