天基望远镜

□ 王宝伊 闻新

天基望远镜

□ 王宝伊 闻新

空间天文学的诞生

▲ V-2导弹应用于太空环境研究

由于地面天文观测要受到地球大气的各种效应和复杂的地球运动等因素的严重影响，因此，天文观测精度和观测对象受到了许多限制，远远不能满足现代天文研究的需要。

为了从根本上克服上述不利因素的影响，天文学的一门新的分支学科——“空间天文学”，伴随着航天技术的发展而迅速发展起来。1949 年，美国天文学家用缴获的德国V-2导弹搭载一种空间探测器飞出地球大气层外，做了一次短暂的太空探索。这也是人类第一次开展太空环境研究，搭载的探测器不仅观测到了来自太阳的紫外线，还观测到了被大气层阻挡的来自遥远宇宙的射电波，如宇宙X射线。这是人类有史以来第一次开展空间天文观测实验，它开启了太空探索科学的新一页，也是空间天文学的诞生标志。

哈勃空间望远镜

▲ 哈勃空间望远镜

早在1946年就有科学家提出在地球大气层外放置一个大型的天文望远镜的方案，但直到1990年，哈勃望远镜才成为第一个部署在太空的天文观测站。它填补了地面天文观测的缺口。哈勃望远镜的超深空视场成像、可见光成像以及紫外线成像在未来很长一段时期内无法被取代。哈勃望远镜帮助天文学家解决了许多根本上的问题，使得他们对天文物理有更多的认识。

一晃27年过去了，哈勃望远镜已经到“退休”的时候了，但美国并不舍得把它推到太空装备垃圾场，而是计划一旦具备回收能力时，将把它送进美国历史博物馆。哈勃望远镜拍摄了无数壮丽的恒星和星系的照片，颠覆了人类对宇宙的认识，不仅帮助天文学家发现了宇宙加速膨胀现象和遥远宇宙形态等，也启发他们思考更深层的问题。

韦伯望远镜的命名

▲ 詹姆斯·韦伯

▲ 韦伯望远镜

美国宇航局设计了哈勃望远镜的接班人——“詹姆斯·韦伯空间望远镜”，简称“韦伯望远镜”。韦伯望远镜最初曾被命名为“新一代空间望远镜”，其英文缩写是NGST （Next Generation Space Telescope）。直到2002年9月，美国宇航局才采用该局的第二任局长的名字“詹姆斯·韦伯”，更名它为韦伯望远镜。

为什么更名呢？这是因为韦伯担任美国宇航局领导人时，曾掀开了美国航天事业的新篇章，其中包括“探测月球”计划和“阿波罗登月”计划等。所以，詹姆斯·韦伯望远镜寄托着人们的厚望。

韦伯望远镜与哈勃望远镜比较，又有了怎样的提升呢？

▲ 从图中可以清楚地看出，韦伯望远镜跟随地球绕太阳转，同时每198天绕L2点转一圈，另外韦伯的镜子总是位于遮光板的后面

哈勃望远镜是光学望远镜，它与韦伯望远镜的一个重要不同点在于韦伯望远镜是一个大型的红外线望远镜，韦伯望远镜的主要任务是调查宇宙大爆炸的残余红外线证据。

韦伯望远镜与哈勃望远镜还有一个最大的差异，韦伯望远镜的奇特主镜，可以让观测精度高于哈勃望远镜的很多倍，进而可以为人类提供更翔实的遥远宇宙细节。

另外，韦伯望远镜将被部署在比哈勃位置更远的L2点上，以至于它的镜面可以收集到更多的光，并且可以观测时光倒流。因此，韦伯望远镜也是一部强大的时间机器，可观测到宇宙诞生之后的第一批星系。科学家认为如果哈勃望远镜的观测成果修改了所有教科书，那么韦伯望远镜将再次改写所有课本。

什么是L2点？

▲ 太空中的五个拉格朗日点（上）和位于L2点的韦伯望远镜（下）

前面提到了韦伯望远镜部署在L2点上。那么，什么是L2点呢？

法国数学家拉格朗日（Lagrangian points）于1772年证明了在两个大物体的引力作用下，存在能够使一个小物体稳定的点。在太空里，目前这样的点一共发现5个，被称为拉格朗日点，L2点是5个拉格朗日点之一。L2点位于太阳和地球的连线上，地球外侧约150万千米处。在L2点上，韦伯望远镜长期驻留只需消耗很少的燃料。

韦伯望远镜的结构

▲ 韦伯望远镜的系统组成

韦伯望远镜是一台大型太空红外线望远镜，其质量为6.2吨。它的镜面系统分为主镜、次镜和三镜，其质量约为哈勃望远镜质量的一半。主镜由铍制成，口径达到6.5米，面积为哈勃空间望远镜的5倍以上。镜面系统被分割成18块六角形的镜片，可以被精心折叠和展开，看上去像一朵金色的莲花，科幻色彩浓厚。

韦伯望远镜还有一个5层网球场大小的太阳遮光板，可以将太阳光削弱数百万倍。它的四个光学镜头和分光仪都配备了特别灵敏的检测器，可以捕捉到非常微弱的光信号。其中一个光学镜头装有微型快门，能够同时观测100个物体。

韦伯望远镜中的制冷器用来冷却中红外线检测器及其他仪器，使其降温至7开并维持工作状态。为了将韦伯制作成这样的形状，科学家借鉴了地球上最大的光学望远镜——凯克望远镜，并让韦伯的镜面得以扩展，强度得以增加。

韦伯望远镜将证实宇宙形成的历史

▲ 韦伯望远镜的深层观测

宇宙在大爆炸中诞生，那时的宇宙缺少离散的光源，到处弥漫着冰冷朦胧的氢气和氦气薄雾。在最初几十万年里，宇宙是一个巨大而灼热的原子团。随着宇宙后来的扩张和冷却，这些带着高能量的粒子最终合成了中性的原子。许多年后，密度大的区域在重力的作用下分崩离析，宇宙的中性氢凝结成块。最后这些区域的密度越来越大，核反应堆就生成了。当第一批星球形成后，它们的光线和辐射与氢气发生了剧烈的摩擦和碰撞，中性的原子破碎，一个个质子和电子散播开来。起初，这些区域就像细小的水泡或是高能源电离气体的集合。然而，中性原子仍然是宇宙中最主要的部分，其作用是阻止光在太空中肆意穿梭。韦伯望远镜将带领我们观测去宇宙初期的星云和星球，以及星球形成时的尘云以及行星气流。它的观测将有助于宇宙历史的研究。从宇宙大爆炸时的耀眼光芒到太阳系的形成和发展，这些谜底将被逐一揭开。