科普之窗

韦布空间望远镜的观星之道

冯杰

2022-08-05 07:33

刘丰源
光明日报( 2022年08月04日 16版)

日前,一批特殊的照片吸引了人们的目光:美轮美奂的船底座星云、“南天指环”星云、“斯蒂芬五重奏”星系、SMACS 0723星系团深场……这些璀璨夺目照片背后的功臣,是人类迄今为止最为先进的空间天文设备——詹姆斯·韦布空间望远镜。

韦布是什么?

一台巨大的“宇宙相机”

第一次看到詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST,以下简称韦布)的人,也许会感到十分意外——抛开巨大的体积不谈,它金黄色的巨大面板棱角分明,还连着一摞奇形怪状的紫粉色薄膜,似乎和平时我们接触的望远镜相去甚远。

其实,韦布就像一台“宇宙相机”:主镜、副镜等相当于没有镜筒的“镜头”,而其他部分则相当于“机身”。金色的六边形面板是它的主反射镜,它的直径为6.5米,由18个六边形子镜拼接而成。之所以要设计成拼接的形式,是因为它实在太大,必须折叠后才能放入火箭的舱室内。

如此巨大的镜面,正是韦布的科学雄心所在。光学定律告诉我们,望远镜的口径越大,捕获光子的效率就越高。天体发射的光子好像倾盆大雨中的雨滴,而更大的望远镜口径就好比用更大的水桶去接雨水,在短时间内就可以产生较高亮度的图像,从而看见那些遥远而黯淡的天体。除此之外,更大口径的镜面还拥有更高的分辨率,得到的图像更清晰。这样一来,我们拍到的天体就有更加丰富的细节。

完成一场“太空折纸”,并不是一件容易的事。韦布的每个子镜都由金属铍制作而成,轻盈、坚固;又镀了一层极薄的黄金,既有效地反射红外光,又不易变得暗淡。此外,每一面子镜都可以自由地改变曲率和指向。经过校准以后,它们会共同组成一个巨大的抛物面,将星光聚拢到副镜上。为了合成完美的抛物面,在太空中展开后,微型机械马达必须将各个子镜无缝对齐,误差不能超过头发丝直径的万分之一,其难度可想而知。

经过层层反射后,星光进入主镜中央开口后方的“科学仪器模块”中,在那里得到进一步的转换和处理。韦布共携带四台终端科学仪器,它们分别是中红外仪器(MIRI)、近红外相机(NIRCam)、近红外成像仪和无缝光谱仪(NIRISS)、近红外光谱仪(NIRSpec)。其中,中红外仪器可以在5~28微米的波长范围内工作,而近红外的三台仪器则在约0.6~5微米的波长范围内工作。相比较而言,人眼看到的光线波长范围大约仅在0.4~0.8微米范围,要局限得多。

像普通相机一样,中红外仪器、近红外相机都可以拍摄图像,但它们的灵敏度可比商业相机甚至军用卫星高多了。它们能探测到低至几纳央斯基的流量,假设把一盏儿童睡觉时开的床头夜灯放到月球上,从地面上看去,它的亮度都要比韦布的探测极限高二十倍!

在到达相机底片之前,星光还会经过滤光轮,轮上安着十余种不同的滤光片。这些滤光片各自允许特定波长范围的光线通过,可以根据电脑指令转动到底片前方。这样一来,天文学家拍摄的每一张图片,就只反映天体在特定波长范围内的辐射情况。在不同滤镜下拍摄照片,就能得知天体在各个波长的辐射分布,从而推断出天体的性质。将不同滤镜的照片在计算机里分别赋予单一颜色,再叠加起来,就得到了我们常看到的色彩斑斓的天文照片。此外,韦布还配备了星冕仪。它可以遮挡明亮的天体,从而让天体周围暗弱的背景显现出来。

但除了拍摄图像,天文学家更翘首以盼的,是用韦布得到天体的光谱信息。太阳光这样的多色光经过大气层中的水汽散射后,会产生绚丽的彩虹。光的能量按照波长(或频率)的这种分布就叫作光谱。韦布的四台仪器都可以进行光谱拍摄。原子、分子吸收或发射特定波长的光,会在光谱上有所反映。通过光谱,我们可以知道天体的类型、速度、距离、成分等重要信息,从而画出宇宙中天体的“三维地图”。

为何耗资88亿美元?

确保韦布拍出最好的照片

2021年12月,韦布望远镜搭乘着阿丽亚娜5号火箭,在法属圭亚那的发射场升空。

这是一场迟到了14年的赴约。早在哈勃空间望远镜(HST,以下简称哈勃)发射以前,天文学家就开始考虑建造更强大的太空望远镜,称作“下一代空间望远镜(NGST)”。最初的计划仅仅是花费5亿美元,建造一台8米口径的望远镜,并于2007年发射。然而,项目一再扩增和延期。到韦布望远镜最终发射时,总投资已经超过100亿美元。

韦布延期主要是出于安全方面的考虑。空间望远镜出故障的先例不胜枚举。例如1990年哈勃发射后,天文学家就震惊地发现,它拍摄的图像都很模糊:原来是镜片磨制的形状出了错误,没办法准确地聚焦光线!直到1993年,航天员驾驶航天飞机到太空中,为哈勃加装了一台“近视眼镜”,成像才恢复正常。哈勃围绕着近地轨道运行,出了错还可以补救;但韦布在地球和太阳的第二拉格朗日点附近运行,绕着太阳公转,离地球足足有150万公里,是月球到地球距离的四倍。万一韦布出现了故障,在它整个“有生之年”内(预期寿命将超过十年),人类都无法亲自维修。因此,团队必须在地面上反复检验,确保万无一失。

为什么要把望远镜发射到这么远的距离上?进入太空的好处显而易见:不再有白天黑夜的限制,没有阴雨天气影响,避免了大气层吸收和折射星光……但地球时时刻刻散发着大致相当于室温的热量,会让近地轨道上的航天器温度上升。对于韦布这样的红外探测器来说,是很大的干扰。

一切物体都会发出红外线。新冠肺炎疫情以来,我们也许已经习惯于见到自己在红外照片里的样子了——公共场所的体温成像仪正是红外相机最常见的应用。人体会发出红外线,太阳、地球、遥远的恒星和星系也是如此。更奇妙的是,红外线还能够穿透遮蔽物。在星系中弥漫着大量微粒,称为“星际尘埃”,会阻挡紫外线和可见光,红外线却畅通无阻。因此,用红外线观测尘埃区有得天独厚的优势,能看到尘埃背后发光的天体。

除此之外,那些极其遥远的星系和星系际介质,发出的光会发生所谓的“红移”。多普勒效应告诉我们,物体一旦和观测者相背而行,观测者看到的波长就会变长。而按照宇宙膨胀理论,遥远的天体都是在远离我们的。这样一来,它们的辐射就会整体向光谱的红端移动。天体越远,远离我们的速度就越快,红移也就越大。而在遥远的星系中,有很大一部分的能量本来是在可见光波段发出的。经过红移之后,这部分能量正好位于韦布探测的红外波段,因此,韦布也极为适合探测那些最为遥远的天体。

但是,韦布望远镜毕竟处在太阳系中,免不了受太阳照射。如果镜身温度太高,自身产生的红外线也会干扰观测。为此,韦布配备了被动和主动两种降温方式。

在朝向太阳的方向,韦布撑起了一把“遮阳伞”——网球场一样大的聚酰亚胺薄膜。这种材料不足一毫米厚,不仅轻便,而且还能承受很大的温差。薄膜共有五层,每层上面都镀了铝,能很好地反射并隔绝热量。在面朝太阳的前两层上,还特别覆盖了粉红色的掺杂硅涂层,散热效率大大提高。

在薄膜朝向太阳的一面,温度高达110摄氏度;而经过五层薄膜的阻隔,背向太阳的一面足足降到了零下230摄氏度以下。我们常用的护肤霜或遮阳伞“防晒指数”不过50左右,但韦布的遮阳伞“防晒指数”足足达到了100万,意味着只有百万分之一的“漏网之鱼”。

不过,科学仪器模块中的仪器对温度极其敏感,仅靠被动冷却是不够的。例如中红外仪器需要在零下266摄氏度才能正常工作(仅比绝对零度高了7度),这时就需要“低温冷却器”登场了。除了先进的冷却机制外,它也许还是世界上最“静音”的冰箱——因为哪怕一点点振动,都会造成灾难般的图像模糊。

韦布要做什么?

加深人们对宇宙的理解

作为人类最昂贵、最大、最先进的空间望远镜,韦布的主要使命被归类为四个领域:宇宙曙光与再电离、不同时期的星系、恒星与原行星系统诞生、行星系统与生命起源。

首先,红外波段适合观测那些遥远的天体,韦布的一项重要任务就是了解宇宙的早期历史。光速是有限的,光线穿过遥远的距离需要时间。太阳光需要8分钟才能抵达地球,所以我们在地球上看到的是8分钟前的太阳;近邻星系发出的光线需要千万年才能抵达太阳系,我们看到的也是它们千万年前的样子。从这个意义上来说,宇宙就像一座时间展览馆:我们看得越远,看到的展品就越古老。

我们平时观测的近邻星系,红移基本都在0.1以下;红移2到3,就被天文学家称作是高红移星系,已经相当难以探测了。而韦布预计将看到红移接近20的初代星系,它们极其遥远,韦布观测到的光,是宇宙才刚刚诞生不到2亿年的时候发出的。在韦布发布的第一批数据里,天文学家就已经探测到红移10左右的星系了。更深场的积分甚至有望追溯到宇宙再电离时期,那是宇宙中的第一缕曙光。

其次,韦布能够直接看到星系中那些诞生恒星的巨大尘埃云,而这些云对哈勃等光学望远镜而言是不透明的。包括太阳在内的恒星,正是由这样的星云坍缩形成,但其具体过程我们却还未弄懂。不仅如此,韦布甚至能直接看到行星形成过程中存在的原行星盘,从而让我们更加了解原始行星系的形成。

再次,韦布拥有惊人的分辨率和灵敏度,那么当它注视那些较近的星系时,必将揭示出细节异常丰富的形态和光谱信息。我们已经知道,星系分为若干类型,它们的组成成分不同,彼此之间也存在着演化关系。通过巡天获得大量星系数据,韦布有望回答一系列关键问题,例如黑洞如何影响宿主星系、星系的形态是怎么产生的、化学元素在星系中如何分布……

最后,太空中是否有其他生命也是韦布的关注点。当系外行星从母星前经过时,大气层中特定的元素将会吸收母星发出的光。韦布探测到这种吸收光谱,便可以得知系外行星的大气成分。在发布的首批照片中,天文学家已经证明了一颗系外行星中具有水分子。有朝一日,我们或许会在系外行星大气中探测到更多“生物印记”——例如甲烷、氧气等,它们暗示着地外生命存在的可能性。韦布还将调查太阳系内的天体:彗星、小行星、冰卫星等……熟悉了我们的“邻居”,我们对自己的起源也会有更深的理解。

与韦布同期,中国的空间天文事业也在蓬勃发展。“悟空”号暗物质粒子探测卫星、“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星等取得了优异成果,中国空间站工程巡天望远镜、爱因斯坦探针卫星等一批先进设备也正在筹划中。然而,我们至今还没有自己的红外天文卫星,在天文仪器研发的人才储备、红外探测器的工艺,以及设计决策等层面,也都还有一定差距。

如果将宇宙比作一座宝库,韦布的首批照片只不过是站在大门口的一瞥。在接下来的太空之旅中,韦布必将向人类展示宇宙的更多珍宝。我们也更希望有朝一日能看到中国自己的红外空间望远镜翱翔天际,向太空投去属于我们的目光。

(作者系中国科学院国家天文台硕士研究生)


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2022-08-05 03:33
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