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哈勃望远镜在540公里就能看清宇宙,为何韦伯要飞到150万公里远?

2021-12-31 dpeng

全世界最贵的望远镜、“鸽子王”詹姆斯韦伯太空望远镜终于要发射升空了,这是航天界的一大盛事,举世关注。为了打造这只探索宇宙的“黄金眼”,美国NASA和欧洲航空局ESA等机构花了25年时间和100亿美元,就为了能把宇宙看得更清楚一些。

但是你知道吗?网上有许多关于韦伯望远镜的宣传画虽然很漂亮,但却错得离谱。就像下边这张:

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实际上,在韦伯望远镜发射升空之后,我们从地球上就再也看不见它那巨大的六边形金色镜面——它会始终藏在网球场大小的“床垫”后边,躲到黑暗的影子里,所以我们不可能看到它金光闪闪的样子。

另一个原因是,韦伯望远镜将被发射到距离地球150万公里的太空中,这个地方被称为“地日拉格朗日L2点”。月球与地球的平均距离是38万公里,相比之下,韦伯望远镜要远4倍!

为什么要把望远镜送到那么远的地方?哈勃太空望远镜已经可以看清楚几十亿光年外的星系,难道韦伯飞得更远就能看得更清楚吗?

还真是这样!

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韦伯望远镜将飞到拉格朗日L2点

为了探索宇宙,几十年来各国共发射了超过30台太空望远镜,其中最有名的就是哈勃太空望远镜。自从1990年发射以来,哈勃望远镜用它直径2.4米的镜头“深情凝视”遥远的宇宙,为我们揭开了许多遥远星系的秘密。

相比于哈勃,韦伯望远镜的反射镜面直径达到6.5米,更大的面积可以收集更多光线,也意味着它能看到更远、更暗淡的星光。

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了解哈勃太空望远镜的朋友都知道一个很逗的故事:因为镜片打磨时犯了一个低级错误,哈勃一上天就被发现患有“先天性近视”,主镜片屈光不正,看啥都是模糊的。但这时候哈勃已经花掉了大约47亿美元,扔掉可惜,再运回地球也不可能,最后科学家在地面打造一套“近视眼镜”,由航天飞机带到天上给哈勃更换。

这就是哈勃离地面近的好处,当望远镜出了问题需要维修维护时,宇航员能够比较方便地飞过去给它更换配件。詹姆斯韦伯望远镜就不可以,它离地球150万公里,没人能飞到那么远。其实韦伯望远镜从一开始就没考虑过怎么修——所有都是一锤子买卖,万一出了大问题,再贵也只能是打水漂。


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哈勃望远镜在轨维修


为什么会这样?因为哈勃是可见光望远镜,基本上我们人眼看到的是啥,望远镜拍下的就是啥;韦伯是红外线望远镜,它主要接受红外线波长的光——比红更红,一种我们人眼看不见的“红”。

根据物理学理论,宇宙中所有的物质都有温度,都会向外发射光子。只有温度足够高的物体才向外发射出可见光,我们的眼睛能看见这些光子。更多的物体会发射出红外线,我们需要使用红外线敏感器才能探测到它们。



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詹姆斯韦伯望远镜就是一台用于探测宇宙红外光的设备,它上面的传感器极其灵敏,可以区分极小的温度变化,从而发现上百亿光年外传来的微弱光线。

就像我们白天看不见星星一样,不是星星不在那儿,而是太阳光线太强,它的光子在大气层中散射,淹没了暗弱的星光。地球和月球也会发出红外光,离地球越近,它对韦伯望远镜的干扰就越大。怎么办呢?科学家要让望远镜尽量远离地球和月球,并且用隔热层挡住太阳光,将干扰的热辐射降到最低。

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那么,将韦伯望远镜送到地日拉格朗日L2点,是因为那里足够冷吗?并不是。

相对与太阳的距离而言,150万公里带来的温度差几乎可以忽略不计,选择L2点一方面是这里能避免地球月球热辐射的干扰,另一个重要原因是这里处于太阳与地球力学稳定区域,航天器不需要消耗太多燃料就能很长时间“漂浮”在这里。


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在成功发射之后,詹姆斯韦伯太空望远镜会飞向地日拉格朗日L2点,在一个多月的漫长旅途中,它会像变形金刚一样华丽变身:先展开太阳翼,再依次拉出并撑开5层隔热薄膜,调整角度,将隔热膜的底部朝向太阳和地球方向,最后展开铍制的主反射镜。每一块镜子背后都有一组电机,它们能以纳米尺度精确调整镜子的角度,以确保不会发生哈勃望远镜“近视”的问题。

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在朝向地球和太阳的方向,韦伯望远镜的底部温度可以达到88℃左右,而在背阴面,由于隔热膜阻挡了太阳和地球的热辐射,韦伯望远镜的镜面和传感器的工作温度低至-225℃!如此一来,宇宙中高于这个温度的光都能被望远镜探测到,人类不仅能看得更远,还可以探测到此前看不见的影像。

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就像上面这幅图像所显示的,左边为哈勃,右边是韦伯。当然啦,这张图是P出来的,实际上韦伯望远镜并不能拍摄彩色图像,跟哈勃望远镜的照片一样,所有彩色都是后期由地面人员P上去的。因为除了天文学家外,没有人会对黑白色的星空感兴趣。


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