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  • 天文学家热情期盼詹姆斯·韦伯太空望远镜升空

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2020-01-13

    作者:冯李飞资料来源:中国科学新闻发布日期:2016/3/7 10:2336003

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    等待“天眼”打开

    天文学家热烈期待詹姆斯韦伯空望远镜升起空

    如果这样强大的工具也放在空,谁能预测我们会发现什么?它将带来天文学的革命,因为它如此强大

    詹姆斯韦伯望远镜模拟图 图片来源:百度已经在美国戈达德空飞行中心29号塔楼内工作了几个月。位于詹姆斯韦伯空望远镜(韦伯)核心的四个科学仪器被密封在一个看起来像房子的“高压锅”里。 伴随着真空泵有节奏的啁啾声,“压力锅”中的压力似乎太空,只有大气压力的十分之一,而氦将其温度降低到零下250摄氏度。 它的内部仪器系在框架上,未来将用于在太平洋空固定它们,并浸入红外光中,红外光有时集中,有时分散,以检测它的反应。

    把整个项目比作高压锅是合适的。 韦伯是美国宇航局迄今为止试图建立的最大、最复杂和最昂贵的科学任务。天文学家和公众对此抱有很高的期望。 韦伯的灵敏度将是哈勃太空望远镜空的100倍。它将能够看到宇宙“婴儿期”最早的星系形成,研究恒星及其行星系统的诞生,分析系外行星的大气,甚至探测生命迹象。 “如果我们在泰空放一个如此强大的工具,谁能预测我们会发现什么?它将带来天文学的革命,因为它如此强大 华盛顿大学天文学研究协会主任、韦伯科学家马特芒廷说

    一个大项目

    20世纪90年代中期,当哈勃望远镜在调整镜头后忙于创新天文学时,研究人员开始为其继任者做计划。 当时,美国宇航局局长丹尼尔戈尔丁提出了“更快、更好、更便宜”的诱人口号 戈尔丁向美国宇航局的工程师和天文学家提出了一项极具挑战性的后续任务,即建造一台比哈勃便宜但比哈勃大的8米直径望远镜。 当他在1996年向美国天文学会提出这个计划时,受到了科学家们的热烈欢迎。 然而,哈勃只覆盖了可见光加上少量紫外线和红外线的全部范围,而当时提出的下一代望远镜是一个特殊的红外天文观测台。

    对天文学家来说,红外光谱是当时一项激动人心的前沿研究。宇宙中最遥远天体发出的可见光(大爆炸后形成的最早恒星和星系发出的光)随着宇宙的膨胀而拉伸得太多,最终到达地球时只停留在红外光谱区。 太阳系外行星大气中的许多化学信号也表明它们在红外波段。 然而,地球大气层阻挡了大部分红外光 戈达德仪器有效载荷科学家马特温室说,韦伯将提供“中红外波段第一个最清晰的宇宙视觉图像”。

    然而,就像哈勃一样,韦伯的建筑也遭遇了重复设计、施工延误、预算超支等问题,这使得加拿大和欧洲承包商和合作伙伴之间的关系变得紧张,尤其是与美国国会支持者之间的关系。 由于韦伯使用了可用的资源,许多其他项目不得不推迟或搁置。 虽然该项目最近的进展和支出基本上保持在规定日期内,预算约为80亿美元,但2010年和2011年的危机几乎导致该项目被取消。

    预计韦伯到2018年底将能够从离地球150万公里的地方返回信息,但在此之前仍有许多地方可能会出现错误。 它仍然面临着许多发射压力,例如如何在发射时将透镜和遮光板从蛹态完全打开,它的许多尖端技术也可能失败。 只有当韦伯睁开他的“眼睛”并成功聚焦于第一颗恒星时,压力才会被释放。

    前所未有的挑战

    为了捕捉这种光,美国宇航局的工程师需要克服许多困难的挑战。 第一个是热量:为了防止望远镜发出的红外光淹没天文信号,韦伯需要在零下233摄氏度下工作,这比绝对零度(大约零下273.15摄氏度)只高出40摄氏度,这就需要一个全新的仪器设计方案。 体积和重量的限制造成了另一个障碍:直径8米的望远镜在任何情况下都不能放在火箭整流罩里,所以它需要折叠起来才能发射。

    遮光板还需要可折叠,并由超轻薄膜材料制成。 此外,望远镜的结构需要绝对刚性,但同时它需要足够轻,以将整个天文台的重量限制在6吨,这仅仅是同样大小的地面望远镜重量的百分之几。 美国宇航局韦伯项目主任埃里克史密斯说,人们知道“可能需要发明10项新技术”才能让望远镜工作。

    以镜面为例。哈勃望远镜仅由一个玻璃制成,而韦伯的折叠镜面需要由六边形工件组装而成。这种设计通常用于许多顶级望远镜项目,例如夏威夷的凯克望远镜天文台。 镜子材料的选择也是一个挑战,需要经受严峻的考验。 因为任何材料在变冷时都会改变形状,所以每个组件都需要确保光学形状在室温下是错误的,但是当温度达到零下233摄氏度时,它可以改变成正确的光学形状,并且误差应该控制在纳米级水平。 为了实现这个目标,镜子制造商必须将复杂的计算机模型与复杂的研磨、冷却、测量、加热、再研磨和再冷却过程结合起来。

    事实上,韦伯的最终设计并没有满足美国宇航局最初的野心。 从2001年开始,由于对望远镜日益增长的建造成本的担忧,美国国家航空航天局将原来直径为8米的透镜缩小到直径为6.5米,将镜子部件的数量从36个减少到18个,并将光收集面积从原来的50平方米减少到25平方米。 然而,评估小组认为韦伯仍然可以实现他的科学目标。 为了进一步降低成本,美国宇航局决定使用精度较低的镜头,这可以减少生产过程中大量的冷却-加热-研磨过程。 这一变化将使韦伯在近红外波段的灵敏度降低1-2微米,但这不是一个大损失,因为地面望远镜已经覆盖了这个波段。

    期待发布

    到2006年,韦伯的所有关键技术都经过测试和验证是可行的。 最终设计也已经起草,项目组装阶段已经开始。 为了把韦伯的巨大镜子放在隧道里,得克萨斯州休斯顿约翰逊空中心的工程师们彻底改造了仓库a,一个用来测试阿波罗载人飞船的巨大低温真空仓库。

    本项目有效载荷仪器的飞行模式设计完成于2012年:欧洲空局、美国航天局、亚利桑那大学和加拿大空局等建造4台红外成像仪和光谱仪。 一旦这些仪器被固定在一个刚性框架上,它们将模拟发射状态并剧烈摇晃,还将接受高达150分贝的噪音测试。 以下是模拟泰空环境的第一次低温试验-真空

    然而,问题接踵而至。 冷与热之间的温差导致构成红外探测器的精密多层半导体膨胀后分裂 另一项关键技术,近红外波段的“微快门”阵列,也已被击败。 仪器团队和制造商聚集在一起分析问题并生产新零件。 与此同时,相关测试仍在继续 在最近的CV3测试中,所有的替换部件都集中在一起。今年1月底的最新测试结果非常令人鼓舞,改进后的部件发挥了作用。 “我们对这次测试的性能非常满意 亚利桑那大学图尔德天文台的天文学家玛西娅里克(Marcia Rieke)说,“我们离准备发射的日子非常近。 "

    现在,仪器已经过测试,镜头已经组装好了。这两个元素将在三月份组装和匹配。 随后,组合式望远镜和仪器包(统称为奥的斯)将在安装到专门建造的舱室之前进行振动和声学检测。 然后在一个安静的夜晚,一辆卡车将小心翼翼地把机舱从戈达德中心运送到安德鲁斯联合基地,在那里它将被放入一架巨大的C-5卫星运输机,然后被运送到休斯顿。

    现在韦伯太大了,装不下飞机,所以它将从加利福尼亚海岸通过巴拿马运河被船运到欧洲航天发射中心法属圭亚那,与欧洲制造的阿丽亚娜5号运载火箭会合。 2018年10月,阿丽亚娜5号将带韦伯前往距离地球150万公里的重力平衡点L2,其旅程将需要29天。

    韦伯将在到达设定位置后立即部署其相关组件空 芒廷说,部署将需要“三个可怕的星期”。"以前没有人做过这样的事。" “压力将是无情的,但是韦伯的建筑商说他们将有时间考虑他们正在做什么。

    荷兰欧洲空局的韦伯项目科学家皮埃尔费鲁伊说:“即使对一个参与这项任务的人来说,这也是不可思议的。” 里克也有同样的感受:“见证这样一段历史真是令人激动。” (冯李飞)

    《中国科学报》 (2016-03-07第三版国际)

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