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天教育家构想下一代重型空间望远镜,权利就越

发布时间:2019-08-31 03:12编辑:www.599588.com浏览(79)

    哈勃望远镜后继者引争议

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    哈勃的完美谢幕

    本报讯 历史上最具创造性的天文观测台一定包括哈勃太空望远镜在内。但是哈勃的生命是有限的,其仪器和轨道持续衰减,它的终止将不可避免地导致天文和宇宙学信息收集出现巨大缺口。

    HDST的主镜将至少有10米宽。图片来源:NASA/GSFC

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    由于地球大气层会过滤掉大部分紫外线波长,因此紫外线仅可以在太空中被大量接触到,而哈勃就存在于这样的环境中。一些科学家认为,美国宇航局的下一代空间天文观测台(无论是直径6.5米的詹姆斯:韦伯空间望远镜,还是由红外间谍卫星转变而成的直径为2.4米的宽视场红外巡天望远镜)均难以填补这一波长缺口。

    一队颇具影响力的美国天文学家已经将他们的视野投向了未来最大和最好的空间望远镜——作为深受爱戴的哈勃空间望远镜的称职“接班人”,有人预测其成本可能高达100亿美元甚至更多。

    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……

    “当哈勃退役后,相关数据收集也将终止。”诺奖得主、NASA戈达德宇宙飞行中心天体物理学家John Mather说,“目前,我们的议题中还没有任何一项可以承担哈勃任务的天文仪器。”

    拟议中的高清空间望远镜将拥有一个直径为12米的主镜面。这一宽度是2.4米的哈勃空间望远镜的5倍,后者用敏锐的眼光彻底改变了天文学对宇宙的认识;它同时还是詹姆斯韦伯空间望远镜宽度的近2倍,后者目前正准备于2018年发射升空。

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    为此,Mather和其他天文学家正计划提出一项镜面直径达10~12米的超级望远镜作为哈勃后继者,其直径是哈勃的4~5倍多。如果这个项目可以实现,将代表着天文学家愿望清单中的最优先级项目之一达成,并将引起对遥远星系研究、系外行星观测以及寻找地外生命等领域的革命。

    通过直接观测大量太阳系外行星的大气以寻找生命的迹象,HDST将最终回答人类在宇宙中是否孤独的问题。它同时还将戏剧性地重塑关于宇宙如何演化的科学认知。

    詹姆斯·埃德温·韦伯,美国宇航局第二任局长

    其暂时被称作高清太空望远镜,旨在观测光学、紫外线以及新红外波段。与其高清晰度的名号相匹配,HDST可穿过星系分辨出300光年以内的可见宇宙。这将有利于了解恒星形成以及暗物质和暗能量的特征,还可以让天文学家更近距离地观测太阳系外潜在类地行星,探寻生命迹象。

    这份报告的联合组长、西雅图华盛顿大学天文学家Julianne Dalcanton表示:“很难说清这将是一幅多么壮观的场景。”

    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。

    这一计划属于大学天文研究协会夏季报告之一。然而,一些参与HDST项目的科研人员担心,无论这样一个强大的仪器多么吸引人,任何一个超大型太空望远镜的提议都会注定毫无希望:尽管大型天文观测台对于研究人员来说非常有用,但是它们注定耗资巨大,尤其是在后期。

    华盛顿哥伦比亚特区大学天文学研究协会于7月6日发布的这份报告迄今为止仅仅是一份愿望清单:HDST可能连工程师的绘图板也上不去。但这项研究发布的时候恰逢政府的资助者们开始思考美国下一个十年天文学的重点项目。并且其知名度颇高的作者很可能会影响到美国宇航局是否应该在即将到来的下一个十年努力争取另一个伟大的空间天文台项目的讨论。

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    “自从韦伯望远镜启动以来,NASA已经变得更加保守了。”同时担任韦伯望远镜项目高级科学家的Mather说,韦伯望远镜原定于2011年发射,预定花费为16亿美元,但现在的发射日期已变为不得早于2018年10月,且预算已增长至近90亿美元。

    早在1996年,一份类似的AURA报告最终刺激国会和NASA出资并建造了6.5米的JWST。

    哈勃太空望远镜,现代宇宙学的重要观测设备

    《中国科学报》 (2015-06-25 第2版 国际)

    哈勃空间望远镜在今年庆祝了其25岁“生日”并且将不再接受宇航员的维护,据估计它还能再运行五六年。当其停止运转的那一刻,JWST应该已经在轨,但新的空间望远镜将以不同于“哈勃”的波长展开观测——利用红外线而非可见光和紫外线。在JWST之后,NASA队列中的下一个大型空间望远镜被称为大视场红外巡天探测望远镜,但它也主要依赖红外线进行观测。

    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。

    一旦“哈勃”退役,科学家利用可见光和紫外线观测太空的能力将大打折扣。“我们要做些什么才能填补这一缺口?”AURA报告的合著者之一、马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所天文学家Marc Postman说,“这开始成为一个真正的问题。”

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    Postman指出,HDST将需要一个至少10米的镜面,以便能够观测许多太阳系外行星的大气。这架望远镜的上限12米是由一个可行的火箭系统能够发射到太空中的重量所决定的。

    哈勃28周年生日观测

    像JWST一样,HDST在发射时将是折叠起来的,它将飞往太空中的“L2”稳定引力点——距离地球150万公里,在那里,HDST将像花儿一样绽放。然而与JWST不同的是,HDST在常温下便可以运行,并不需要复杂的冷却系统,正是这一点让价值80亿美元的JWST成本超支并延期发射。

    但是有一些问题是哈勃无法为我们回答:

    报告的作者还试图让两个派系的天文学家团结起来:那些研究系外行星的科学家以及那些研究更广泛的天体物理问题的科学家。“我们认为HDST在许多方面都将成为一部具有革命意义的望远镜。”Postman说,“现在的挑战是让所有的群体都相信这正是他们想要的。”

    最初的恒星和星系是什么样的?

    NASA几乎可以肯定要与其他空间机构合作把这一建议变成现实。加利福尼亚州帕萨迪纳市卡内基天文台天文学家Alan Dressler指出,全尺寸HDST很可能会耗资100亿美元甚至更多。他认为支持者可能需要考虑一个缩小版的HDST。

    恒星是如何在原始星盘中形成的?

    哈勃空间望远镜是在地球轨道上并且围绕地球的空间望远镜,它于1990年4月24日在肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射。哈勃空间望远镜的位置在地球的大气层之上,因此影像不会受到大气湍流的扰动,视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光,还能观测会被臭氧层吸收的紫外线,是天文史上最重要的仪器之一。它成功弥补了地面观测的不足,帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题,使得人类对天文物理有更多的认识。此外,哈勃的超深空视场则是天文学家目前能获得的最深入也是最敏锐的太空光学影像。

    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和其他望远镜阵列上相比较,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,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。

    在那里,航空航天公司Northrop Grumman将会对詹姆斯韦伯太空望远镜进行最后检查持续几个月。然后,它将于春天从南加州飞往法属圭亚那,并计划在2021年3月用阿丽亚娜火箭发射。

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    折叠起来的詹姆斯韦伯太空望远镜

    欧洲宇航局阿丽亚娜5号火箭从阿丽亚娜空间的ELA-3发射台发射,位于法属圭亚那的库鲁附近,从赤道附近发射火箭将给予火箭额外的推力,因为地球在赤道的自转是在1670公里/小时。在这之前,詹姆斯韦伯太空望远镜必须得折叠起来才行,如果不折叠,整流罩塞不下……

    哈勃告诉我们宇宙是什么样的,詹姆斯韦伯将告诉我们宇宙是怎么变成这样的,这是人类认识,了解宇宙一个了不起的进步,这是一项令人难以置信的工程壮举,詹姆斯韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜将永载人类宇宙学史册,就让我们一起期待吧。

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