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2016-7-25

詹姆斯·韦布空间望远镜:哈勃的继任者

归档于: 天文空间科学, 空间科学 @ 7:38 pm

26年来,哈勃空间望远镜持续不断地采集着天体的影像和数据,将近至月球,远至宇宙创生初年的星系不受大气干扰的面貌展现在世人面前,为天文学带来了革命性的变化。但是这架1990年发射的望远镜现在已经是严重超期服役了,就算它还可以撑到下一个十年以至更久之后,其上的仪器也会不可避免地老化和落伍。好在2018年,哈勃的继任者——由美国国家航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)与加拿大宇航局(CSA)联手打造的詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)将搭乘阿丽亚娜5型运载火箭进入太空,并飞向150万千米之外环绕日地系统第二拉格朗日点的轨道,在那里远离地球与太阳的干扰,以空前高的灵敏度和精度窥探深空。

詹姆斯·韦布空间望远镜在第二拉格朗日点背对太阳观测宇宙的艺术概念图。图片提供:Northrop Grumman

其实严格说来,詹姆斯·韦布望远镜还不能算是哈勃的正宗继任者。哈勃的主要工作波段是近红外到近紫外,又以可见光为主;而JWST则集中于研究红外宇宙,对可见光观测并不在行。不过与可见光相比,在太空中进行红外观测的需求更为迫切。首先是红外波段在高红移星系以及产星活动的研究中具备天然优势,因为前者的可见光或紫外辐射往往被红移到了红外区域,而后者则经常是在遮挡可见光但却对红外线透明的尘云中发生的。此外,地球大气会吸收阻隔大部分红外光,让红外观测,尤其是中远红外观测难以在地面展开。更且近二三十年来地基光学仪器取得了长足进步,除了业已动工的若干新一代30米级望远镜拥有远较空间设备更大的口径之外,主动光学与自适应光学技术的日益成熟也让地面天文学克服大气湍动不再是梦想。在这样的背景下,空间光学望远镜的优势似乎被淡化了,而地球上不可替代的红外空间高分辨率观测才是重中之重。

完成组装的JWST反射镜,其中镀金的六边形拼接镜面是主镜,图中由支架撑起的小型金色圆镜是副镜。图片提供:NASA/Chris Gunn

分别在今年2月和3月刚刚完成主副反射镜组装的JWST走到今天并不顺畅。这个本名新一代太空望远镜(NGST)的计划最早提出于哈勃发射之前的1989年;随后在20世纪90年代中叶,以红外望远镜接替和拓展哈勃使命的概念逐渐完善,并被美国科学院列为新千年的优先项目。2002年,为了纪念阿波罗时代的NASA行政长官,NGST更名为詹姆斯·韦布空间望远镜,这当然是希望它能承袭由韦布一手开启的空间科学考察传统。在随后的研发过程中,核心问题不可避免地关乎金钱。该项目至今耗资已经接近90亿美元,这一数字相当于一架8米或10米级地基望远镜营建费用的数十倍,也是各30米级望远镜预算的6、7倍,远远超出立项之初的预期。由于严重超支,JWST的细节方案一改再改,发射时间也从21世纪的第二个十年之初再三推迟到了2018年,期间还险些半途而废。而欧美天文学界如今对JWST的态度也是爱恨交织,爱的自然是这样一架大型空间望远镜作出划时代发现的潜力,恨意却大抵来自它对其他项目经费的侵占。比如为了确保JWST的建造,用于低频引力波探测的太空激光干涉仪(LISA)的研发被大大拖延,而类地行星搜索者(TPF)项目则干脆被取消,它们都称得上是为JWST垫背的牺牲品。

高昂的开支与望远镜新颖而独特的结构密不可分。JWST的主镜包括18块镀金的铍金属反射镜,每块子镜均呈六边形,宽1.3米,它们组合起来构成了一面6.5米口径的拼接镜面,并依靠主动调节系统与灵敏的波前传感器来保持面形(作为比较,哈勃的单镜面主镜直径只有2.4米;而在哈勃发射之时,还没有哪架地基望远镜与JWST大小相当)。铍具有坚固、耐低温、导热率高且质地轻盈的特点,简直就是为红外空间观测量身定制的。拜材料性质之赐,JWST的铍镜虽大,重量却只及哈勃玻璃主镜的三分之一。但与诸多突出优点相对的就是铍高昂的原料与加工成本,对JWST主镜这样庞大的结构来说更是如此。可是要想在波长较可见光更长的红外波段取得更高的分辨率,又要兼顾现有运载火箭的能力,轻质大口径反射镜是不二之选。在性能的高要求面前,开支只好一涨再涨。

JWST主镜的折叠式背板,可活动的两翼各承载着3块子镜。图片提供:NASA

更麻烦的是望远镜的致冷系统与机架设计。由于所有温热的物体都会发出红外辐射,为了让望远镜能够顺利接收来自宇宙的微弱红外光,仪器致冷是必须的。与采用杜瓦瓶盛装液态致冷剂的已有红外空间望远镜(如斯皮策空间望远镜以及更早的红外空间天文台)不同,JWST创新性地全面运用了被动致冷机制,这样除却需要额外降温的中红外仪器,其他星载组件都只要借助遮阳板屏蔽阳光即可正常运行。这组长度与网球场相当的遮阳板由5层镀以铝质或半导体硅涂层的聚酰亚胺薄膜制成,每层厚度只及发丝直径,却兼具超高强度与优异的隔热性能。它们既保证了30~40 K的仪器工作温度,还在很大程度上减低了发射时携带的致冷剂数量对望远镜使用寿命的限制。但与大型结构相矛盾的是运载火箭载荷整流罩的有限体积,因此JWST的主镜与遮阳板在发射时必须要折叠起来,入轨后再展开成形。这套折叠系统的研发难度称得上空前,又并无先例可供参考,相关开销达到天文数字也实属情理之中。

展开后的5层遮阳板全尺寸测试件。(图片提供:NASA/Chris Gunn)

完工后的JWST将装备4台工作波段介于0.6微米与29微米之间的照相机与光谱仪,覆盖可见光的橙红端到远红外的近端,可以达到最高相当于哈勃100倍的灵敏度。望远镜的科学目标也分为4大主题,依照被观测天体的从远到近,分别是宇宙的第一缕曙光与再电离期、星系的形成、恒星与原行星系统的形成,还有行星系统与生命的起源,正涵盖了红外天文学的所有长项。

宇宙中的第一缕曙光大约出现在大爆炸后的1.8亿年,它标示着第一代恒星的问世,被视作宇宙黑暗时代的终结。此后不久,这些早期大质量恒星直接或间接产生的强烈辐射照彻了自复合期以来漆黑一团的宇宙,让弥漫在星系之间的中性氢和氦元素又一次电离,并一直保持至今。虽说宇宙中这次最为晚近的全局性物态变化相对第一缕曙光的时间差仍旧未知,不过现有的微波背景辐射探测以及类星体巡天表明,再电离是一个复杂的过程,分为若干阶段进行,期间既有紫外星光的贡献,更可能涉及了早期类星体的影响——而类星体的种子就是第一代恒星作为超新星爆发后留下的黑洞,这些小型黑洞在随后的吸积和并合过程中成长起来,化作了隐匿在星系中心的庞然大物。

JWST探索宇宙的演化史。图片来源:Lightsey et al. (2012)

由于第一代恒星距离过于遥远,这第一缕曙光至今还躲避在观测者的视线之外,甚至连JWST也不具备直接探测它们本身的能力。但这架空间望远镜完全可以发现由此类恒星构成的超星团或矮星系,或是它们在了结一生之时爆发产生的超新星;而其搜索高红移天体的能力也将远远胜过哈勃等现有仪器。为了找寻宇宙中这些难以捉摸的初代天体的直接证据,JWST入役后将开展类似哈勃深场拍摄的深度红外成像巡天,辨认早期宇宙中的第一代星系,并对其中的高红移候选天体进行深入的分光和测光观测——当然,这次的深度会远远超过哈勃。这样,最早一批天体的数量、形成速率以及金属丰度等性质的演化轨迹都可以被敲定下来。又由于再电离会在高红移类星体的光谱中留下证据,JWST还计划对这类天体进行分光研究,判定宇宙再电离的具体发生时间与主导力量,为宇宙演化提供重要线索。

星系形成这个主题也是与宇宙第一缕曙光有关的,或者应该说前者以后者为根源:按照现在最广为接受的理论,大型星系是由最早形成的较小结构逐级并合而来,可以一路追溯到第一代恒星构成的小型团簇;而这些结构的骨架则是凝集成团的暗物质。在支配性的引力之外,星系中成员恒星的演变也让整个过程变得愈发繁杂,比如超新星能够对更大尺度的空间产生不可忽略的影响;而老辈恒星会经由不同的渠道将产生于星体深处的金属元素抛洒到整个星系中,进而影响星系的整体性质与新兴恒星的生死。现有观测还表明,星系中一些看似不相干的特性之间存在密切的联系,如核球的质量与星系中央特大质量黑洞的质量明显正相关,个中成因却是争议颇多。因此可以说,在大框架之内,我们尚不清楚星系形成和演化所走过的具体路径。

哈勃空间望远镜使用宽视场照相机3拍摄的哈勃超深场(上)与JWST模拟深场(下)的对比图,右侧为相应视场中单个星系的放大图对比。图片提供:JWST/STScI

为了深入认识这其中的细节,并回答一系列有关宇宙基本组成单元的关键问题,JWST将对距离从最远到最近的星系进行大样本巡天,确定各个星系的形态、产星速率与星族分布,由此勾勒出这些因素随时间的演化规律。这架望远镜所工作的红外波段不仅适合探究自身光学辐射被严重红移的遥远星系,还具备宜于测定星系的运动学特性,从而揭示星系核球与黑洞质量关系起源线索的一氧化碳短波特征辐射。自然,在JWST的研究列表中还少不了产星率极高但被尘埃遮蔽的极亮红外星系,它们的剧烈星暴活动往往是由星系并合诱发的,因此是星系生长史的重要见证。至于充当星系演化背景的暗物质晕,其质量既可以通过星系运动学测量来推知,还可以利用引力透镜效应间接查明。JWST的灵敏度更高,故而可供其探索的暗物质结构的距离范围也将比现有仪器所及大为拓展。

恒星的形成是天文学中一个更基本的话题,但同样由于当代产星区遍布遮光的尘埃,单凭可见光观测难以查明这一过程的全貌。JWST穿透尘云的红外观测能力尤其适合研究产星云团,无论是经由致密云核的分布来标明云团的初始坍缩点,还是探究不同质量的原恒星的结构,抑或是从红外特征辐射寻找原恒星系统中的有机分子踪迹,都将使人们对恒星形成的认识更上层楼。而关于原行星系统的演化史,虽然哈勃空间望远镜已经在年轻恒星周围发现过一系列的星周尘盘,不过凭借更高的分辨率,JWST有望揭示出其中的精细结构,由此推断原行星的所在;对于猎户星云中那些以侧影呈现的盘面,JWST更可查明盘中尘粒的大小或组分等关键性质。

猎户星云中的30个原行星盘,新生行星系正在其中形成。图片提供:NASA/ESA and L. Ricci (ESO)

最后一个事关生命起源的话题,关键在于确定大量行星系的理化特性,进而探讨各个系统的宜居性。为实现这一目标,JWST要做两手努力,其一是对彗星与柯伊伯带天体等太阳系原始成员进行全面调研,探究其化学组分,籍此更好地认识让地球环境适宜生命存在的原因;二是考察系外行星,其中既包括凌星探测,也涉及直接成像。在凌星系外行星方面,JWST尤其具有优势:除了常规的光变曲线之外,它还有能力获得凌星光谱,并从中提取出行星的大气组分,以查找生命存在的可能信号。虽然搜索生命或许是噱头大过实际,但远程探查系外行星的成分本身也是颇为激动人心的。另外太阳系内火星上的水体循环、月球或小行星上冰态物质的分布,还有土卫六的有机物和天气变化也将成为JWST的关注目标(实际上JWST对土卫六光谱观测的精度甚至将比卡西尼号轨道探测器的实地探察还要高),这些信息都会增进人们对宜居性的理解。

北落师门星周尘盘的对比图,左:斯皮策空间望远镜拍摄的24微米红外图像;中:哈勃空间望远镜拍摄的散射可见光图像;右:JWST观测的模拟图,盘中的结构清晰可见。图片提供:George Rieke

在接下来的两年里,日趋成形的JWST将安装好科学仪器,并陆续接受全面的计量、震动、声学与光路检测。随后航天器本体与遮阳板将同望远镜光学系统对接,开始进行整体测试。一切就绪后,JWST将被运送到ESA设在法属圭亚那的库鲁(Kourou)发射场,迎接2018年的发射。升空后,这架冠以美国空间探测先驱之名、堪称史上最强大的空间望远镜自然会为天文界带来的新的机遇,也必定会展现出更多超乎意料的新知,让世人再次意识到当下对温热的红外宇宙的认识有多么的不充分。因此谨祝韦布好运,也不枉这多年的期待。

JWST之后,致力于暗能量与宇宙加速膨胀史勘察,并兼顾系外行星搜寻的广域红外巡天望远镜(WFIRST)也已正式上马,预计它将于21世纪20年代中期发射,同样安家第二拉格朗日点。WFIRST通过借用一面已有的2.4米反射镜充当主镜,有效达到了节流且提高性能的目的。虽然这架望远镜的口径要比韦布小很多,但它的优势在于100倍于哈勃的超宽视场,同时其成像质量不会低于哈勃,因此可以与JWST互为补充。更进一步,美国大学天文研究联合组织(AURA)去年夏天又提出了雄心勃勃的高清晰度望远镜(HDST)计划,希图开发一架主镜口径12米、且关注近红外到近紫外波段的哈勃正牌继任者。虽然HDST的开支预计不会低于JWST,但它的技术难度要比后者低不少,比如其上不需要额外的致冷元件,还可以大量借助JWST的经验来加快研制速度。如果最终获批,HDST也必然会为天文学开创新的纪元。

WFIRST的艺术概念图。图片提供:NASA/GSFC/Conceptual Image Lab

 

注:本文为约稿,已发表于《Newton-科学世界》杂志电子刊2016年7月号,请勿转载。

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