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科学松鼠会

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下一代空间望远镜成形  

2012-04-01 14:18:48|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:Shea

Francis Reddy 文 Shea 编译

一旦发射,詹姆斯?韦布空间望远镜将会以地面天文台无法企及的详尽程度来探测遥远的星系、恒星托儿所以及太阳系外行星的大气。

  在南美洲北部的法属圭亚那坐落着欧洲空间局(ESA)的发射中心,一枚“阿丽亚娜”5ECA型火箭正在那里等待指令飞上蓝天。它的载荷是比先前所建造的最大的空间天文台还要更为巨大的美国宇航局(NASA)的詹姆斯?韦布空间望远镜(JWST)。把网球场大小的JWST塞入火箭的整流罩与其说是个工程难题倒不如说是在“折纸”。但JWST的信条就和它精湛的设计一样直接:向世人展示哈勃空间望远镜(HST)所不能的实力。

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[图片说明]:NASA的技术人员正在为JWST的6块镜面做低温测试的准备。版权:NASA/MSFC。

  虽然点火升空的这一幕将发生在几年之后,但JWST的真实性对于NASA的三个航天中心来说却正在变得日益显著。2009年,技术人员拆除了NASA约翰逊航天中心巨大的热真空检测室里用来模拟太阳的灯――从“阿波罗”计划开始它们就一直被安装在这里。2010年1月,NASA马歇尔航天中心的工程师开始测试JWST主镜的6块拼接镜面。在NASA领导JWST和HST计划的戈达德航天中心,其庞大的洁净室20年来第一次没有了与HST有关的测试和支撑设备。

  到2009年底,NASA已经完成了JWST的18块拼接镜面,所有的飞行仪器也基本完成。虽然还有大量的工作要做,但JWST的主体已经成形。

从威尔逊山到JWST

  对于地面天文台而言,其望远镜口径从HST主镜的大小(2.4米)到JWST主镜的大小(6.5米)用了将近60年。前者是美国威尔逊山上著名的2.5米望远镜,埃德温?哈勃(Edwin Hubble)在20世纪20年代就是用这架望远镜发现了宇宙膨胀;后者则是苏联于1975年建成的6米望远镜。如果一切都按计划进行,JWST将仅用40%的时间在太空中完成这一飞跃。

  JWST是NASA、ESA以及加拿大空间局之间的国际合作项目,它会探索一系列的天文学问题。和HST不同,JWST会围绕日地系统的第二拉格朗日点(L2)运动,在那里太阳和地球的引力相等。L2位于日地连线地球一端的外侧,距离地球151万千米。

  在这个位置上,宇航员是无法对其进行维修的,因此JWST必须一战成功。为此,NASA发展出了新的技术和测试程序来确保每一个部件、每一次组装、搭载仪器以及望远镜结构都能在极端空间环境中正常运转。

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[图片说明]:技术人员在对6块JWST的镜面进行检查,之后它们将被送到NASA的马歇尔航天中心进行两次低温测试。版权:NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given。

  JWST团队中没有人会忘记HST主镜上存在的几乎断送整架望远镜的瑕疵,直到宇航员为在轨的HST安装了缩焦镜之后问题才得以解决。因此NASA计划在真空室里以工作温度从主镜到全部仪器对JWST的所有光路进行整体测试。这也正是技术人员拆除约翰逊航天中心巨大检测室中太阳模拟灯的原因。他们的测试程序会从HST的差错中吸取教训,不再会单单由一组测试来下结论。

  当完全展开之后,JWST的18块六边形镀金拼接镜面会构成有效直径6.5米的主镜。这使得JWST的集光面积达到了HST的6倍多。通过分析获得的图像,计算机软件会控制安装在拼接镜面后面的触动器来微调主镜的整个形状。

  通过远离任何热源以及一个网球场大小的太阳伞所提供的永久阴影,JWST及其所搭载的仪器会被动冷却到它们-233℃的工作温度。在抵达L2大约6个月之后,JWST就将开始其为期5年的科学使命。如果运气好,它的寿命可以延长到10年。

直击红外

  1989年天文学家们便开始讨论HST的继任者,当时甚至距离HST的发射还有整整一年。到20世纪90年代中期,他们已经确定了这架空间望远镜的规格,要求它具有4米或者更大的主镜并且对红外波段进行优化。

  那么为什么要针对比可见光波长还要更长的红外波段呢?HST已经为天文学家提供了前所未见的最年轻星系的动人影像,但它可以回溯的时间仍然有限。这些遥远的目标不仅小而暗,同时宇宙的膨胀还会拉伸并且红移它们所发出的辐射。星系的距离越远,它的红移就越大。

  例如,一个红移为1的星系(它所发出光的频率移动了100%),它的距离将近80亿光年,我们看到的它正处于宇宙的年龄尚不足其今天137亿年一半的地方。更形象地说,从目前的宇宙遥看一个红移为1的星系就相当于一个70岁的人看到他/她30岁的样子。从这个意义上讲,在宇宙中远望就等效于时间旅行。

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[图片说明]:这是用来整体测试JWST光学元件和太阳防护罩的模拟器。版权:NASA/GSFC。

  天文学家有一个巧妙的办法可以快速地估计星系的红移。波长91纳米(1纳米=1/1,000,000,000米)的紫外光具有足够的能量可以剥离氢原子的电子。结果是,整个宇宙中散布的氢就可以吸收掉这一波长以及更短波长的辐射。因此,通过在不同的滤光片下来看同一个星系,天文学家就能借由寻找该星系在哪个波长上消失了来估计出它的红移和距离。

  在红移3.5附近,宇宙的膨胀会把这一“星系隐去”特征推出紫外进入可见光波段。在这一距离上,类太阳恒星所发出的光则被红移到了红外波段。而到了红移7.5处,“星系隐去”特征本身就位于了红外波段。

  深入红外波段还使得JWST特立于未来十年天文学家想建造的大型地面设备。因为从波长1.7微米(1微米=1/1,000,000米)开始所有的地面望远镜甚至是HST都会向外发出辐射。加之大气本身的辐射几乎阻断了绝大部分的红外波段,当你进入波长大于5微米的波段时,JWST比起地面上相同大小的望远镜要好上一百万倍。而JWST上的中红外设备会进一步加大这一优势,赋予它波长到28.5微米的观测灵敏度。

追寻星系

  从2002年宇航员在HST上安装了高新巡天相机开始,天文学家已经用它和星系隐去技术测量了红移在3到6之间的大约6,000个星系。2005年,光谱测量确认了哈勃超深空区(HUDF)――HST花了11天的时间“盯”着南天相对较空的区域所拍摄的图像――中的一个隐去星系红移为6.7,对应的宇宙年龄只有8亿年。如果还是用人来形容的话,相当于一个70岁的人看到他/她4岁时的样子。

  这一说法其实非常的恰当,因为近距星系和遥远星系相比几乎没有相似之处。在20世纪20年代,埃德温?哈勃对星系的研究发现近距星系中差不多一半是和我们银河系类似的旋涡星系。另外40%是椭圆星系,其余的10%是不规则星系或者是并合中的星系。

  根据HST20世纪90年代的巡天观测,到红移为1时,有关的统计结果就会变得乱七八糟。在这个距离上,宇宙所包含的旋涡星系和椭圆星系不足近距的一半,而不规则星系和并合星系的数量则是近距的5倍多。HST所看到的许多最遥远的星系不仅小而且暗弱,形状上也不规则,表明我们今天所看到的星系是由大量矮星系碰撞并合而形成的。

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[图片说明]:NASA戈达德航天中心洁净室的全景照片,通过网络摄像头可以观看其中身着白大褂的工作人员测试JWST部件的过程。版权:NASA/GSFC/Chris Gunn。

  2009年天文学家使用HST的大视场照相机3把红移极限又往前推进了一步(详见《天文爱好者》2010年第8期《宇宙黎明时分的星系》)。他们在HUDF中发现了红移在7到8之间的隐去星系。此外他们还发现了几个红移可能高达10的星系。如果被证实,我们所看到这些星系正处于宇宙诞生之后不到5亿年的时期。

  这一佐证将来自JWST,它可以探测红移到20(大爆炸之后1.8亿年)甚至更高的早期宇宙。在这个距离上,所见的宇宙就相当于70岁的人看到他/她11个月蹒跚学步时的样子。JWST在那里所发现的任何一个矮星系都是新生的。

  JWST的另一创新是微快门,它可以使得JWST同时获得数百个星系的光谱。在JWST近红外摄谱仪中,四个邮票大小的阵列包含了近25万个微型电机快门,其中的每一个都可以由磁性开启和关闭。有了数千个星系光谱在手,天文学家就能够了解星系的类型以及化学组成随红移的变化,由此就能回答一些有关星系是如何形成的问题。

超级恒星

  JWST还会探测遥远星系中爆发的恒星。这些超新星十分明亮,即使在遥远的距离上也能被看到。它们可以作为暗能量强有力的探测器,而暗能量则被视作是驱动宇宙加速膨胀的原因。JWST所具备的灵敏度可以观测到红移在15左右的单个超新星,不过它们可能十分罕见、难以寻找。在建的大型地面望远镜也许可以帮助JWST寻找合适的目标。

  宇宙膨胀的另一个结果是,我们会看到高红移处的宇宙在以低速运转。例如,一颗近距超新星通常只要花几天的时间就能达到亮度峰值,然后再花几个月的时间淡去。但是一颗出现在红移为10处的超新星会花一个月的时间来达到亮度峰值,然后花数年的时间来变暗。为此你需要一个寿命较长的探测任务以及耐心。

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[图片说明]:JWST上搭载的近红外摄谱仪中将使用几十万个微快门(上图),每一个可独立开启和关闭的微快门只有几根头发丝的宽度(下图)。版权:NASA。

  天文学家相信第一代恒星具有至少100个太阳质量,所发出的光亮要超过太阳数百万倍,在爆发成为超新星之前仅能存活几百万年。虽然JWST也许能捕捉到一个这样的罕见爆发,但它却具有足够的灵敏度来定位这些恒星的聚合体。第一代恒星是否会形成星团?或者第一代恒星是否会抑制近邻的恒星形成?我们都还不知道。

  最近有研究提出,一种新奇的恒星可能会进入JWST的视野中。这些恒星所包含的大部分是暗物质,这些神秘的物质构成了宇宙物质的大多数。

  一些理论认为暗物质是由迄今未知的亚原子粒子所组成的,当这样的两个粒子碰撞时就会发生湮灭,释放出大量的能量。而这一暗物质粒子的相互湮灭可以为恒星演化的新阶段提供能源。

  计算发现,这些暗物质星(简称“暗星”)的质量可以达到100,000~10,000,000个太阳质量,直径则可以达到日地距离的100倍。一旦湮灭过程耗尽了其核心的暗物质,“暗星”就会转变成一颗燃烧核燃料的普通大质量恒星。它们最终会坍缩成黑洞――也许就此形成了今天在每个大型星系中心所发现的超大质量黑洞的种子。这是一个惊人的预言,如果“暗星”真的存在,那将是非常奇妙的。

抽丝剥茧

  在更为靠近我们的地方,JWST的红外灵敏度还将使得它能探测恒星和行星形成的多尘场所。像猎户星云这样的正在形成恒星的造星工厂都位于在尘埃云之后,虽然看上去很美,但却隐藏了其中正在发生的事情。HST已经分辨出了最终可能会形成行星的含尘星周盘,但是JWST的红外观测能力和更高的分辨率将能穿透这些尘埃茧,使得天文学家可以一窥其中的产星过程。

  JWST上所有的成像设备都包含了星冕仪,它可以遮挡中央恒星所发出的光进而来观测其附近暗弱的天体。2004年,HST使用这一技术在可见光波段首次拍摄了亮星北落师门周围的区域。图像显示了一个围绕北落师门的尘埃环。有天文学家认为,在北落师门和这个环内边缘之间有一颗行星正在通过引力扰动这个环,并由此预言了这颗行星的位置。2008年这个小组使用HST直接拍摄到了这颗行星北落师门b。

  JWST也许可以分辨出北落师门环中小到日地距离10倍的细节,这有可能会揭示出其他的行星。对于其他的近距盘系统,例如织女星,JWST还将做相同的事情。

  HST和斯皮策空间望远镜都对凌星的热类木星大气进行了探测。热类木星是极为靠近其宿主恒星的太阳系外气态巨行星,它们有时候会从地球和其宿主恒星间经过,造成凌星。JWST则将发现更小的外星行星,例如围绕低温红矮星、仅几倍于地球质量的超级地球。使用星冕仪直接成像以及通过凌星对大气进行测量,JWST将成为一个外星行星巡天以及了解行星系统形成的强有力工具。

  以上仅仅是JWST将要回答的一小部分科学问题。在发射前一年,全世界的天文学家将提交观测目标和计划。和HST的运作方式一样,一个科学小组会评估这些提案并为其中最好的安排观测时间。NASA希望天文学家们能创新性地使用这架空间望远镜。暗物质星,奇特的地外行星,新生的星系,没有人知道JWST最终会给我们带来些什么意想不到的惊喜。

(本文已刊载于《天文爱好者》杂志2011年第2期)

[Astronomy 2010年10月]

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