太空望远镜通常根据反射镜大小分级。哈勃太空望远镜反射镜大小是2.4米,詹姆斯·韦伯太空望远镜反射镜大小是6.5米。那么,我们为什么不建造更大的太空望远镜,研究系外行星是否有生命存在呢?

系外行星

跟大名鼎鼎的哈勃空间望远镜比起来,斯皮策望远镜虽然同样兢兢业业,同样劳苦功高,却显得低调太多了,甚至有些默默无闻。事实上,哈勃望远镜发布的许多太空图片中,就包含有斯皮策望远镜提供的红外影像数据。而对天文学家来说,斯皮策在天文发现方面的成就也丝毫不亚于哈勃,甚至作出了不少连它的设计者都从来没有设想过的重大发现。

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运行27年后,哈勃太空望远镜将不再是人类观察宇宙视力最好的眼睛。

2017年9月初,研究人员利用哈勃太空望远镜的数据经过计算发现,TRAPPIST-1星系周围7颗行星的表面可能存在水。TRAPPIST-1是今年早些时候发现的一颗表面温度极低的红矮星,大小与木星相似。

尾随地球

斯皮策无法像哈勃那样绕着地球运转,因为在靠近地球的位置上,地球本身散发出的热量是一种干扰,会影响它遥远宇宙的红外视力。于是,斯皮策选择了一条环绕太阳的轨道,几乎跟地球轨道一模一样。区别只在于,在这样一条轨道上,它的移动速度比地球稍慢,会逐渐落在地球身后,每年都会飘得更远一些。

这条“地球尾随轨道”有许多优点。由于避开了地球的热量干扰,斯皮策享受着天然更加“凉爽”的空间环境。由于环绕太阳运行,斯皮策还拥有更广阔的天空视野。虽然它的视野全年都在变化,但在任意时刻,它都可以观测大约1/3的天空。

斯皮策是进入这条轨道的第一艘航天器。在它升空6年后,开普勒望远镜也进入了地球尾随轨道,后来发现了数以千计的太阳系外行星。

云顶娱乐 2斯皮策在“冷任务”期间拍摄的盘绕星系NGC
1097。图片来源:NASA/JPL-Caltech

韦伯将成为未来十年的主要天文台和观测仪器,为全世界数以千计的天文学家服务。它将带我们回到过去,研究宇宙历史上的每一个阶段,从宇宙大爆炸之后的第一束光芒,再到星系等宇宙大结构和超大结构的动向,比如融合,撕裂,结构等等,最后詹姆斯韦伯太空望远镜还会研究我们自己太阳系的演化过程。

天文学家已经在这样做了,LUVOIR(大型紫外线和红外线勘测器)项目就是这样一项计划。与詹姆斯·韦伯太空望远镜一样,LUVOIR也在太阳轨道上运行,16米的反射镜远大于之前的太空望远镜。

新哈勃?

远在天边,近在眼前

在设计之初,斯皮策的科学家就预期,这台望远镜将打开通往遥远过去的观测窗口,让我们看到离地球大约120亿光年的星系。

那些极其遥远的天体发出的光,在跨越了漫长的时间和空间抵达地球时,早已不再是原来的颜色,而是会整体向红色方向偏移。这种因为宇宙膨胀而导致的现象,使得最遥远的那些天体发出的可见光,甚至被偏移到了红外波段。而这个波段,正是斯皮策设计观测的范围。

实际上,斯皮策超越了设计师预期,甚至看到了更久远的过去,几乎回溯到了宇宙诞生之初。通过与哈勃望远镜的合作,斯皮策帮助测定了GN-z11星系的基本性质。这个星系距离我们大约134亿光年,它的光在大爆炸后4亿年就开始在宇宙中穿行了。这是人类已知最遥远的星系。

云顶娱乐 3GN-z11,人类已知距离我们最远的星系,它的基本性质便是由斯皮策望远镜帮助测定的。图片来源:NASA

除了“远在天边”的星系,斯皮策还作出过“近在眼前”的大发现,就在我们的太阳系内部。

或许你知道,土星拥有美丽而又独特的光环。但你可能不知道,土星最大的光环,直到2009年才被斯皮策望远镜发现。最外侧的这道光环并不能反射很多的可见光,因而很难用地球上的望远镜看到它。但在斯皮策望远镜的红外眼中,光环里寒冷的尘埃发出的红外线光芒却清晰可见。

这道光环从距离土星600万公里处开始,一直延伸到1200万公里以外。相比之下,肉眼在望远镜里能够看到的土星光环,最外侧边缘到土星的距离也只有14万公里而已。

云顶娱乐 4土星最大光环的示意图。图片来源:NASA/JPL-Caltech

上面这些,只是斯皮策作出的许多重大发现中的几个例子而已。它还帮助发现了宇宙中最古老的两个超大质量黑洞,率先检测到了系外行星上有水存在的迹象,见证过其他太阳系里岩石行星发生的大碰撞,还首次在宇宙星云中发现了巴基球碳分子。

而在另一方面,超期服役太长时间的斯皮策空间望远镜,也开始显露出疲态。

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TRAPPIST-1位于水瓶座方向,距离地球40亿光年(长度单位,为9460730472580800米),算是我们的邻居了。天文学家是如何知道其周围的行星表面存在水的?太空望远镜能披露“其他地球”的更多信息吗?

运行27年后,哈勃太空望远镜将不再是人类观察宇宙视力最好的眼睛。

云顶娱乐 6NASA的斯皮策空间望远镜,已经在太空兢兢业业运行了15年,作出了许多不亚于哈勃的重大发现。图片来源:NASA

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和《质量效应:仙女座》游戏中人物的使命相同,现在科学家们也一直努力为人类寻找新的家园。好消息是,随着太空望远镜技术不断进步,人类找到地球2.0只是时间问题。

遥望宇宙的红外眼

红外线,主要来自于热辐射,波长略长于可见光。虽然肉眼看不见,但在探索太空方面,红外线却相当重要。从恒星诞生之地暗流涌动的星云,到地球轨道附近个头不大的小行星,宇宙中有大量现象可以用红外线来观测和研究。特别是宇宙中那些极其遥远的天体,更是只在红外波段才有机会一窥真相。

有些天体太过暗淡或者太过遥远,还有些天体被浓密的宇宙尘埃云遮挡,哪怕用哈勃望远镜,在可见光波段都无法看到它们,而斯皮策在红外波段往往就能看个清楚。从这个角度来说,斯皮策扩宽了人类探索宇宙的视力,无论远近。

更重要的是,与地面望远镜不同,斯皮策不必与地球大气层、日常温度变化或者昼夜交替相对抗。凭借口径还不到1米的反射镜,太空中的斯皮策望远镜比地球上口径10米的望远镜更加敏感。

云顶娱乐 9工作在红外线波段的斯皮策望远镜,扩宽了人类观测宇宙的视力,看见了不一样的宇宙景观。图片来源:NASA

第二个任务就是星系结构融合观察:了解宇宙?怎样了解宇宙,一种很有用的方法来观察宇宙中的巨大结构是如何慢慢形成的。我们现在看到的螺旋星系和椭圆星系实际上是从数十亿年前不同形状演化而来的,詹姆斯韦伯太空望远镜的目标之一是回顾最早一批的星系,以便更好地理解这种演化。科学家们也在试图弄清楚我们是如何得到今天可见的各种星系,以及目前星系形成和聚集的方式。

后者反射镜大小“仅为”8.4米,但其3200兆像素的宽视角相机每个夜晚能记录15TB数据。

后者反射镜大小“仅为”8.4米,但其3200兆像素的宽视角相机每个夜晚能记录15TB数据。

大型轨道天文台

跟哈勃空间望远镜一样,斯皮策也是NASA旗下的大型轨道天文台之一。

大型轨道天文台,是NASA提出的一个雄心勃勃的计划,旨在建造和运行4台大型空间望远镜,在各自专长的不同波段观测宇宙,从而帮助天文学家给我们的宇宙描绘一幅更完整的图像。

1990年发射升空的哈勃望远镜,是大型轨道天文台中最早的成员,主要在肉眼能够感知的可见光波段观测宇宙,它拍摄的大量太空图片已经成为一代经典。除哈勃以外,大型轨道天文台还包括:1991年发射升空的康普顿伽马射电天文台,1999年发射升空的钱德拉X射线天文台,以及今天我们要着重介绍的斯皮策空间望远镜。

2003年发射升空的斯皮策,是大型轨道天文台的最后一员,主要在红外波段观测宇宙。

云顶娱乐 10在象鼻星云这个恒星襁褓之中,斯皮策的红外视力能够透过重重尘埃的遮蔽,看见其中刚刚形成的原恒星。图片来源:NASA/JPL-Caltech/W.
Reach (SSC/Caltech)

詹姆斯韦伯太空望远镜是美国宇航局,欧洲航天局ESA和加拿大航天局CSA。这项合作始于1996年,目的是设计和建造一台值得成为NASA哈勃太空望远镜的科学继承者的望远镜。Northrop
Grumman公司也是主要的工业合作伙伴,詹姆斯韦伯太空望远镜科学研究所会在发射后开始运营。

詹姆斯·韦伯太空望远镜大小是哈勃太空望远镜的2倍,将于2018年10月从欧洲航天局位于法属圭亚那的发射中心发射升空。詹姆斯·韦伯太空望远镜不是绕地球运行,而是绕太阳运行,在距离地球93万英里处的拉格朗日L2点时能获得宇宙最清晰的图像。

能力更强大的太空望远镜

超越极限

从2016年10月开始,斯皮策进入了所谓的“超越模式”。

当时,升空超过13年的斯皮策望远镜,已经在尾随地球的轨道上越飘越远,要被地球落下小半圈了。逐渐拉大的空间跨度,给通信带来了越来越大的挑战。而更大的麻烦在于,从斯皮策的位置上看来,太阳和地球在天空中的方位正在越靠越近。

为了与地球交流,工程师必须将斯皮策的天线对准地球方向。而现在,这意味着天线不得不越来越偏向于太阳方向。一方面,这会让望远镜暴露在更多阳光带来的热量之下,温度会升得更高;而另一方面,与天线垂直的太阳能板却不得不偏离太阳方向,导致发电效率越来越低,给供电带来更大的压力。

按照原本的程序设定,遇到这样的极限情况,斯皮策望远镜应该自动进入安全模式,以免设备受损。而NASA的决定是,手动取消安全限制,让已经超期服役的斯皮策能够继续工作,哪怕这样会让它承受更高的风险。这便是超越模式,意味着斯皮策的工作已经超出了原本给它设定的安全范围。

所幸的是,到目前为止,在这种高风险模式下,斯皮策望远镜工作还算顺利。

云顶娱乐 11斯皮策望远镜进入了超越模式,可以说是顶着大太阳在坚持工作,并且跟地球保持联络。图片来源:NASA/JPL-Caltech

但最终,斯皮策是要卸下现役主力红外空间望远镜这副重担的。接它的班继续在红外线波段探索宇宙的,将是NASA计划在2021年发射的韦布空间望远镜。而在韦布之后,NASA还计划研制大视场红外巡天望远镜(WFIRST)。

对于这些后继者,斯皮策已经给它们确定了进一步研究的领域。凭借更强大的行星大气探测能力,韦布可能会揭示斯皮策发现的那些系外行星的惊人新细节。斯皮策和其他望远镜一起发现的遥远星系,也将由韦布来作进一步的详细观察。而WFIRST则将通过红外波段的巡天观测,来探索和调查长期悬而未解的更多宇宙之迷。

当未来的那些红外望远镜作出重大发现的时候,天文学家不会忘记斯皮策望远镜作为这位老前辈,这15年来给红外观测天文学打下的坚实基础。

斯皮策,升空15周年快乐!(编辑:Steed)

如何把詹姆斯韦伯太空望远镜装入阿丽亚娜5号火箭中?模拟图为我们展示了詹姆斯韦伯太空望远镜的折叠过程

值得指出的是,部分TRAPPIST-1系外行星上存在水的结论,依赖于大量假设。为了有效地研究系外行星,天文学家需要功能更强大的太空望远镜。幸运的是,明年将有一台功能更强大的太空望远镜升空。

如果一切正常,詹姆斯·韦伯太空望远镜将永久性地改变天文学,天文学家将首次能“近距离”地观察TRAPPIST-1星系的行星。

耗尽冷却剂

一开始,NASA给斯皮策设定的工作年限,只有短短2年半的时间。

由于是在红外波段观测宇宙,斯皮策上的设备对温度极为敏感,只有在比绝对零度仅高出几度的极低温环境下,部分设备才能正常工作。为此,斯皮策专门准备了液氦冷却剂,用于在任务期间让关键设备保持低温。而斯皮策发射时能够携带的液氦,总容量是有限的。

2年半的工作年限,正是斯皮策的团队预计这些冷却剂将会耗尽的期限。

结果,那些液氦超出了预期,一口气撑了5年半的时间,直到2009年5月才全部耗尽。这第一个阶段的观测,也被斯皮策团队称为“冷任务”。

显然,NASA并没有打算让斯皮策随着冷却剂的耗尽而退役。相反,斯皮策的工作进入到了下一个阶段,被称为“温任务”。

此时,斯皮策的温度已经要比绝对零度高出大约30℃了。虽然看起来仍然很低,但它携带的许多设备,比如红外光谱仪(IRS)和多波段成像光度计(MIPS),已经无法再继续工作了。好在,红外阵列相机的4块探测器阵列中,有2块坚持了下来。从那时起,身残志坚的这台相机一直推动着斯皮策继续探索宇宙。

云顶娱乐 12在“温任务”期间,斯皮策望远镜通过微引力透镜发现了太阳系外行星OGLE-2016-BLG-1195Lb,距离地球大约1.3万光年,是已知最远的系外行星之一。图为这颗行星的想像图。图片来源:NASA/JPL-Caltech

这台强大的望远镜配备了四个科学仪器,这些仪器都包含在集成科学仪器模块ISIM里面。詹姆斯韦伯太空望远镜的集成仪器将能够探测到来自深空中恒星和星系的光,以及围绕其他恒星运行的行星,接下来我们来看一看詹姆斯韦伯太空望远镜的科学仪器吧,首先是:

比詹姆斯·韦伯太空望远镜更强大的太空望远镜已经在规划中。WFIRST太空望远镜计划2025年发射升空,主要用于研究暗物质和暗能量,但也能用来研究系外行星的大气层。

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云顶娱乐 14NASA的3台大型轨道天文台(钱德拉、哈勃和斯皮策)合作拍摄的仙后座A,一颗恒星在绚烂的超新星爆发中炸碎之后留下的遗迹。图片来源:NASA/JPL-Caltech/STScI/CXC/SAO

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詹姆斯·韦伯太空望远镜利用令人震惊的22米遮阳板和镀有黄金的铍反射镜——展开后达6.5米,是哈勃太空望远镜的3倍——探测来自宇宙最深远处的红外线,以更好地了解宇宙大爆炸。

有关TRAPPIST-1的最新发现,是通过探测紫外线实现的。高于一定强度的紫外线能破坏水分子。研究人员发现,由于紫外线强度高,内行星可能失去所有水分;外行星紫外线强度低,而且都位于宜居带内,因此存在河流和海洋。

意外收获系外行星

斯皮策不是为研究系外行星而设计的,却在这一领域取得了巨大的成就。

2003年斯皮策发射升空时,系外行星科学还处于起步阶段。斯皮策团队的首批科学家和工程师,根本不知道它还能观测太阳系外的行星。但这台望远镜精确的恒星瞄准系统,以及控制不必要温度变化的能力,让它成为了研究系外行星的有力工具。

利用所谓的“凌星法”,斯皮策可以监测某一颗恒星,如果有行星从它前方经过,遮住了一部分星光,斯皮策就会发现恒星亮度出现下降。斯皮策望远镜最著名的成就之一,就是用这种方法发现了TRAPPIST-1的3颗行星,并证实这颗温度超低的矮星总共拥有7颗地球大小的行星。斯皮策的数据还帮助科学家断定,所有7颗行星都是岩石行星。

使用另一种称为“微引力透镜”的技术,斯皮策还找到了银河系中心方向更遥远的太阳系外行星。当一颗恒星从另一颗恒星前方经过时,前面那颗恒星的引力会起到透镜的作用,使得后面的恒星看起来显得更亮。科学家利用斯皮策仔细观测这种增亮过程,如果后面那颗恒星的亮度出现突然的变化,可能意味着前面那颗恒星拥有围绕它旋转的行星。

云顶娱乐 16TRAPPIST-1,被称为“迷你太阳系”,拥有7颗行星,而且全都类似于地球,甚至有好几颗都位于可能适于生命生存的宜居带内。图片来源:NASA/R.
Hurt/T. Pyle

FGS/NIRISS——精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪

如果一切正常,詹姆斯·韦伯太空望远镜将永久性地改变天文学,天文学家将首次能“近距离”地观察TRAPPIST-1星系的行星。

比詹姆斯·韦伯太空望远镜更强大的太空望远镜已经在规划中。WFIRST太空望远镜计划2025年发射升空,主要用于研究暗物质和暗能量,但也能用来研究系外行星的大气层。

趁着发射升空15周年之际,是时候来好好认识一下斯皮策空间望远镜了。

通过尽可能多地观察不同种类的星系,我们可以创建一个光谱列表,这个光谱列表可以让我们看到星系在每一种光谱中的亮度与对比度。因为宇宙在膨胀,我们的太空望远镜探测到的电磁波沿着方向一直延伸,而光谱中的伸展量和星系与我们之间的距离成正比,这个理论也叫做哈勃定律。这个光谱列表还可以揭示其他性质,如恒星的总质量、星系内形成恒星的速度以及恒星群的详细年龄。

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LUVOIR尚未正式立项,即使立项,到发射升空也需要15至20年时间,但天文学家还在计划建设其他超大型太空望远镜。大学天文研究协会提议建造12米反射镜的高清太空望远镜,其目标就是发现地球2.0。

(艾麦乐 编译)到今年8月25日,NASA的斯皮策空间望远镜升空就满15年了。

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LUVOIR尚未正式立项,即使立项,到发射升空也需要15至20年时间,但天文学家还在计划建设其他超大型太空望远镜。大学天文研究协会提议建造12米反射镜的高清太空望远镜,其目标就是发现地球2.0。

TRAPPIST-1位于水瓶座方向,距离地球40亿光年(长度单位,为9460730472580800米),算是我们的邻居了。天文学家是如何知道其周围的行星表面存在水的?太空望远镜能披露“其他地球”的更多信息吗?

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虽然哈勃等太空望远镜取得了巨大成功,大量在地面建设的望远镜被用来印证太空望远镜的数据。

欧洲超大型望远镜将是地球上对宇宙进行观察的“最大眼睛”,其次依次是夏威夷的30米望远镜、位于智利的托洛洛山美洲洲际天文台的大型综合巡天望远镜。

詹姆斯韦伯太空望远镜的四个科学仪器被安置在一个名为“综合科学仪器模块”的单元中

X射线强度

天文学家已经在这样做了,LUVOIR(大型紫外线和红外线勘测器)项目就是这样一项计划。与詹姆斯·韦伯太空望远镜一样,LUVOIR也在太阳轨道上运行,16米的反射镜远大于之前的太空望远镜。

工程师正在检查分镜和詹姆斯韦伯太空望远镜的连接结构

地面望远镜不可低估

詹姆斯·韦伯太空望远镜利用令人震惊的22米遮阳板和镀有黄金的铍反射镜——展开后达6.5米,是哈勃太空望远镜的3倍——探测来自宇宙最深远处的红外线,以更好地了解宇宙大爆炸。

功能越强,责任越大,这就引出了詹姆斯韦伯太空望远镜的关键任务:我们能测量这些遥远星系的什么特性?天文学家对附近星系观测的非常详细,比如它们的形状,颜色,大小,类型等等。但是,通过使用对可见光频率敏感的望远镜(如紫外线、射电和红外线)来观察它们,我们就可以发现银河系恒星群的线索,以及它与我们之间的详细距离。

建在地面上的望远镜通常会受到云层和热空气的影响,由于地球的旋转,它们只有在部分时间能工作,但在发现地球2.0方面发挥着关键作用。虽然通常被用来印证太空望远镜的发现,但不要低估它们的作用。

X射线强度

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它还将测量红外线,探测围绕遥远恒星运转的行星大气成分。其多个摄像头的能力也比哈勃太空望远镜要强大得多。不过,詹姆斯·韦伯太空望远镜距离地球太远,一旦出问题后无法进行维修。1993年,美国航天飞机航天员曾对哈勃太空望远镜进行维修。

它还将测量红外线,探测围绕遥远恒星运转的行星大气成分。其多个摄像头的能力也比哈勃太空望远镜要强大得多。不过,詹姆斯·韦伯太空望远镜距离地球太远,一旦出问题后无法进行维修。1993年,美国航天飞机航天员曾对哈勃太空望远镜进行维修。

但是有一些问题是哈勃无法为我们回答:

欧洲超大型望远镜将是地球上对宇宙进行观察的“最大眼睛”,其次依次是夏威夷的30米望远镜、位于智利的托洛洛山美洲洲际天文台的大型综合巡天望远镜。

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詹姆斯韦伯太空望远镜计划于2021年3月发射,并将在离我们144万千米的一个特殊位置绕太阳和地球系统运行。和哈勃一样,詹姆斯韦伯太空望远镜将携带多个现在最先进的观测仪器,它的主镜将比哈勃大近7倍,其频率范围将延伸到更远的红外区域。不同的频率范围将使詹姆斯韦伯太空望远镜能够探测到属于更远星系结构具有较高伸展性的光谱,同时詹姆斯韦伯太空望远镜还可以同时拍摄100个天体的光谱。

和《质量效应:仙女座》游戏中人物的使命相同,现在科学家们也一直努力为人类寻找新的家园。好消息是,,随着太空望远镜技术不断进步,人类找到地球2.0只是时间问题

太空望远镜通常根据反射镜大小分级。哈勃太空望远镜反射镜大小是2.4米,詹姆斯·韦伯太空望远镜反射镜大小是6.5米。那么,我们为什么不建造更大的太空望远镜,研究系外行星是否有生命存在呢?

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能力更强大的太空望远镜

大学物理系教授彼得·惠特利(Peter
Wheatley)表示,“我们现在能对与地球大小相当的行星的环境进行研究,这是令人激动的。我们的研究结果表明,尽管存在相对强烈的紫外线和X射线,TRAPPIST-1星系内存在水,甚至是生命。”

詹姆斯韦伯太空望远镜渲染图

新哈勃?

这些超大型太空望远镜可能采用埃隆·马斯克(Elon
Musk)旗下SpaceX的猎鹰重型火箭发射。

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大学物理系教授彼得·惠特利(Peter
Wheatley)表示,“我们现在能对与地球大小相当的行星的环境进行研究,这是令人激动的。我们的研究结果表明,尽管存在相对强烈的紫外线和X射线,TRAPPIST-1星系内存在水,甚至是生命。”

虽然哈勃等太空望远镜取得了巨大成功,大量在地面建设的望远镜被用来印证太空望远镜的数据。

早期的恒星和星系是如何聚集起来的?

系外行星

值得指出的是,部分TRAPPIST-1系外行星上存在水的结论,依赖于大量假设。为了有效地研究系外行星,天文学家需要功能更强大的太空望远镜。幸运的是,明年将有一台功能更强大的太空望远镜升空。

在波长和灵敏度方面,詹姆斯韦伯太空望远镜与哈勃在大小和其他望远镜阵列上相比较,它的大小确实是前所未有的。詹姆斯韦伯太空望远镜将使用红外光来研究宇宙历史上的每一个阶段,从大爆炸之后的第一次发光,之后到能够支持地球等类地行星上生命的形成,或者是恒星的形成。

因此,建设更大地面望远镜的竞赛也是如火如荼。巨型麦哲伦望远镜24.5米的反射镜将在智利拉斯坎帕纳斯天文台研究系外行星,欧洲南方天文台39米反射镜的欧洲超大型望远镜已经在建设中,将于2024年完工。

詹姆斯·韦伯太空望远镜大小是哈勃太空望远镜的2倍,将于2018年10月从欧洲航天局位于法属圭亚那的发射中心发射升空。詹姆斯·韦伯太空望远镜不是绕地球运行,而是绕太阳运行,在距离地球93万英里处的拉格朗日L2点时能获得宇宙最清晰的图像。

精细制导传感器FGS为詹姆斯韦伯太空望远镜提供了精确指向观测目标的能力,从而能够捕获更高清晰度图像。近红外成像仪和无缝隙光谱仪NIRISS还可以用于研究宇宙电离时代后的光观测、系外行星探测和表征观测,以及外行星过境光谱等。这个仪器由加拿大宇航局和加拿大国家40多个科学机构共同研究。

有关TRAPPIST-1的最新发现,是通过探测紫外线实现的。高于一定强度的紫外线能破坏水分子。研究人员发现,由于紫外线强度高,内行星可能失去所有水分;外行星紫外线强度低,而且都位于宜居带内,因此存在河流和海洋。

建在地面上的望远镜通常会受到云层和热空气的影响,由于地球的旋转,它们只有在部分时间能工作,但在发现地球2.0方面发挥着关键作用。虽然通常被用来印证太空望远镜的发现,但不要低估它们的作用。

詹姆斯韦伯太空望远镜主镜大小是由科学家和工程师决定的,研究小组决定将铍制成镜面,铍既结实又轻

TRAPPIST-1周围的这7颗行星是利用中天法发现的。当系外行星穿越能在望远镜中观测到的一颗恒星时,恒星亮度会略有降低。望远镜记录到的光信号可以用来计算行星的质量和半径。这属于光谱学范围,哈勃、斯必泽和开普勒等功能强大的太空望远镜,能观察到系外行星穿过从紫外到红外在内的各种波长的波的情况。

寻找地球2.0需要时间、望远镜和海量数据,但人类不会停下探索的脚步,现在的证据表明,技术将帮助人类找到地球的双胞胎。

这就是NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜明年发射的确切计划。18块镀金镜片提供了哈勃7倍的聚光能力,但重量只有哈勃的一半。它的轨道位置,在L2拉格朗日点,如此遥远,地球和月球的都不会影响到这个专注观察的人类眼睛,这也意味着它将不必对抗任何污染。

寻找地球2.0需要时间、望远镜和海量数据,但人类不会停下探索的脚步,现在的证据表明,技术将帮助人类找到地球的双胞胎。

地面望远镜不可低估

安装过程需要极其精细的工作,所以有很多工程师都参与了精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪的安装工作

和《质量效应:仙女座》游戏中人物的使命相同,现在科学家们也一直努力为人类寻找新的家园。好消息是,随着太空望远镜技术不断进步,人类找到地球2.0只是时间问题。

TRAPPIST-1周围的这7颗行星是利用中天法发现的。当系外行星穿越能在望远镜中观测到的一颗恒星时,恒星亮度会略有降低。望远镜记录到的光信号可以用来计算行星的质量和半径。这属于光谱学范围,哈勃、斯必泽和开普勒等功能强大的太空望远镜,能观察到系外行星穿过从紫外到红外在内的各种波长的波的情况。

詹姆斯韦伯太空望远镜的全尺寸模型,完整的展开结构

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这些超大型太空望远镜可能采用埃隆·马斯克(Elon
Musk)旗下SpaceX的猎鹰重型火箭发射。

因此,建设更大地面望远镜的竞赛也是如火如荼。巨型麦哲伦望远镜24.5米的反射镜将在智利拉斯坎帕纳斯天文台研究系外行星,欧洲南方天文台39米反射镜的欧洲超大型望远镜已经在建设中,将于2024年完工。

最后的一个任务是行星和生命起源:在过去的十年里,天文学家发现了大量的系外行星。詹姆斯韦伯太空望远镜的强大传感器将能够观察到更远的行星,而且能观察的更清楚,詹姆斯韦伯太空望远镜在某些情况下甚至可以对遥远星球的大气层进行成像。了解行星的大气和形成条件可以帮助科学家更好地预测某些行星是否适合居住。

2017年9月初,研究人员利用哈勃太空望远镜的数据经过计算发现,TRAPPIST-1星系周围7颗行星的表面可能存在水。TRAPPIST-1是今年早些时候发现的一颗表面温度极低的红矮星,大小与木星相似。

中红外仪器既包括照相机,也包括光谱仪,可以在电磁光谱的中红外区域捕捉到光。MIRI可以覆盖5至28微米的波长范围,同时MIRI的相机提供8了宽视场、宽成像,所以未来詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的图片会比哈勃太空望远镜拍摄的照片更宽广,深空图会包含更多星系。MIRI是由欧洲国家的一些科学家和工程师、美国宇航局喷气推进实验室和其他美国机构的科学家共同建造的。

哈勃太空望远镜,现代宇宙学的重要观测设备

类似太阳系的恒星系

哈勃28周年生日观测

通力合作的詹姆斯韦伯太空望远镜

詹姆斯·埃德温·韦伯,美国宇航局第二任局长

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1990年,哈勃太空望远镜开始运行,使它成为第一个太空天文台,哈勃带领我们看到了遥远的宇宙。它向我们展示了我们宇宙的样子,以及宇宙在数十亿年中是如何变化和成长的。哈勃还向我们展示了数十亿年前星系是如何不同的,并揭示了形成我们今天宇宙的微弱而遥远的星系是什么样子。

NIRCAM——近红外相机

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詹姆斯韦伯太空望远镜是有史以来最大的望远镜

MIRI——中红外仪器

詹姆斯韦伯太空望远镜的重量约为3650千克,当太阳屏蔽设备和飞行电子设备加进来的时候,它将变得更重。这架望远镜发射是必须折叠起来运送,大约有一辆校车那么大。装好后,詹姆斯韦伯太空望远镜被卡车运到附近的埃灵顿空军基地,装进一架经过特殊改装的军用运输机,然后飞往洛杉矶。

首要任务被称为观察宇宙第一次光和再电离过程:这是指宇宙在宇宙大爆炸之后的早期阶段。在大爆炸之后的第一阶段,宇宙是一个粒子的海洋,比如有电子、质子和中子等等,直到宇宙冷却到足以使这些粒子结合时,光才能出现。这个时代被称为“再电离时代”。

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接下来的一个任务被称作恒星和原行星系统的诞生与毁灭:说到这个任务不得不说的就是鹰星云的创造之柱,这里是是恒星最活跃的地方之一。恒星在气体云中出现,随着恒星的生长,它们施加的辐射压力会吹走部分气体。然而,恒星在诞生的时候,有很多气体和尘埃云,它们组成了星盘,所以我们很难看到。詹姆斯韦伯太空望远镜的红外观测仪器将能够观察宇宙热源,包括这些即将诞生的恒星。

就在几个月前,一组来自美国和欧洲的天文学家使用了哈勃太空望远镜和斯皮策红外空间望远镜去发现迄今为止最遥远的星系,GN-Z11。

哈勃告诉我们宇宙是什么样的,詹姆斯韦伯将告诉我们宇宙是怎么变成这样的,这是人类认识,了解宇宙一个了不起的进步,这是一项令人难以置信的工程壮举,詹姆斯韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜将永载人类宇宙学史册,就让我们一起期待吧。

如此古老,如此庞大星系结构存在,与当前某些宇宙理论发生了冲突,给致力于星系形成和演化建模的天文学家们带来了新的挑战。这个时候,就需要詹姆斯韦伯太空望远镜了,它肯定会发现许多这样古老的星系,还可以追溯到第一批星系形成的时候。”Illingworth说。

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哈勃带领我们看到了宇宙,可是它的功能现在来说是有限的。它的主镜长2.4米,只有目前正在建造的最强大的地面望远镜的1%的聚光能力。因为它离地球很近,它会接收到我们星球的热量,所以只能看到一点点红外线光谱,它主要局限于人类眼睛所能看到的相同类型的光。考虑到宇宙正在膨胀,其内部的辐射被转移成更红、更长的波长,我们所能看到的距离是有很大限制的。

地球大小的世界的大气是什么样的,它们是否包含生命的特征?

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工程师正在检查三个科学观测仪器的结构互通性

欧洲宇航局阿丽亚娜5号火箭从阿丽亚娜空间的ELA-3发射台发射,位于法属圭亚那的库鲁附近,从赤道附近发射火箭将给予火箭额外的推力,因为地球在赤道的自转是在1670公里/小时。在这之前,詹姆斯韦伯太空望远镜必须得折叠起来才行,如果不折叠,整流罩塞不下……

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NGC 5194和NGC 5195,两个星系正在融合

詹姆斯韦伯太空望远镜的观测之路

发射后近一个月,詹姆斯韦伯太空望远镜将开始进行轨道修正

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哈勃的完美谢幕

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我们需要看多远才能看到原始宇宙?

NIRSpec——近红外光谱仪

GN-Z11正以每年20倍的速度形成恒星。令人惊讶的是,在第一颗恒星开始形成后的两亿到三亿年后,一个如此庞大的星系就形成了。任务小组的一名研究人员Garth
Illingworth解释说:“要想这么快地形成一个十亿太阳质量的星系,就需要非常快的成长,以巨大的速度产生恒星。”

在那里,航空航天公司Northrop
Grumman将会对詹姆斯韦伯太空望远镜进行最后检查持续几个月。然后,它将于春天从南加州飞往法属圭亚那,并计划在2021年3月用阿丽亚娜火箭发射。

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工程师们小心翼翼地将詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外仪器植入到美国宇航局戈达德太空飞行中心洁净室的飞行综合科学仪器模块ISIM中。

折叠起来的詹姆斯韦伯太空望远镜

新观测革命——詹姆斯韦伯太空望远镜

这种近红外光谱仪将用于把光线从物体中分散到光谱中,并在0.6至5微米波长范围内工作。天文学家通过使用NIRSpec分析天体的光谱,并发现温度、质量和化学成分等物理特性。该仪器经校准后,可同时观测100个物体,这使它成为第一台具有这种特殊超大容量的空间光谱仪。

詹姆斯韦伯太空望远镜是以美国宇航局局长詹姆斯·韦伯的名字命名的,詹姆斯韦伯从1961年到1968年接管了美国宇航局,他为美国登月贡献了很多……

詹姆斯韦伯太空望远镜不仅仅关注星系,通过在红外线下观察宇宙,我们将能够透过星尘的遮挡看到新生恒星,还可以看到其他恒星系内行星的形成。此外,詹姆斯韦伯太空望远镜一个被称为日冕图的特殊仪器将能够对其他恒星周围的行星进行科学数据立体成像,并有望发现几个能够承载生命的,真正类似地球的行星。

其实詹姆斯韦伯太空望远镜在升空之前,天文学家和詹姆斯韦伯太空望远镜任务团队已经为詹姆斯韦伯太空望远镜制定好了任务目标。

宇宙的历史阶段

对任何一个对天空痴迷,对外星生命充满期待的人来说,下一个十年是一个非常令人兴奋的时期。

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恒星是如何在原始星盘中形成的?

近红外相机安装在詹姆斯韦伯空间望远镜的飞行综合科学仪器模块ISIM中。NIRCAM刚刚集成到ISIM中

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现在发现很多类地星球,它们的恒星系和太阳系很像

……

面对这些问题,需要一个革命性的新天文台,它就是詹姆斯·韦伯太空望远镜。

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硬核太空望远镜各方面都准备好了,怎么发射呢?为了确保发射无误,美国宇航局和其他太空合作机构采用了慢工出细活的办法……首先整个科学仪器都需要在一个多层无尘室内,无尘室是用来装望远镜和组装每个科学载荷的。各个科学载荷从各地运来的时候都有专门的容器,叫做STTARS、STTARS有点像一个平面托盘,110英尺长,顶部有一个框架和一个明亮的白色圆顶盖子,它全材料都用特殊的磁设计,内部无灰尘。

GN-Z11星系,距离我们134亿光年

天文学家对詹姆斯韦伯太空望远镜寄予厚望,希望能够回到距离大爆炸仅1.5亿年的时间内,并发现第一批形成的星系。詹姆斯韦伯太空望远镜将帮助我们了解星系的形状是如何随时间变化的,以及控制星系相互作用和合并的因素是什么。

最初的恒星和星系是什么样的?

这个设备是STTARS,运送太空望远镜包括其载荷都需要它,图片拍摄的位于休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心A室外

近红外相机是詹姆斯韦伯太空望远镜的主要观测仪器,它将覆盖红外波长范围是0.6至5微米,这使詹姆斯韦伯太空望远镜有望探测来自最早恒星和星系的光芒。NIRCAM还可以持续观测附近星系中的恒星群,NIRCAM还会观察银河系的部分区域。NIRCAM配备了日冕观测模块,天文学家可以捕捉到明亮物体周围非常微弱的物体的照片,比如恒星系统,这个高度仪器是由亚利桑那大学和洛克希德马丁公司共同研究制造的。

欧洲宇航局工程师完成了NIRSpec的组装和测试工作

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