探索宇宙起源:百亿美金“鸽王”韦伯的背后故事

1 月 25 日凌晨,经历了一个月的太空航行后,人类历史上最大最昂贵的太空望远镜——詹姆斯韦伯 ,终于抵达距离地球 150 万公里拉格兰日 L2 点,即将展开科研工作。
如果这个计划成功,韦伯太空望远镜将探测宇宙第一代天体的信号,研究在宇宙不同时期,星系的各种特性及演化学上的关系。解开许多关于太空的谜团,甚至为我们揭秘宇宙的起源。
这台太空望远镜是人类有史以来最庞大的天文学项目:造价高达 100 亿美元,历经 20 多年研发,全球 14 国家合作。可以说很多人的整个职业生涯,都在建造韦伯太空望远镜。
太阳帆被撕裂,真空实验时螺丝消失,韦伯望远镜的研发历程,充满不确定性,还因多次延期差点在 2011 年被国会砍掉。
美国宇航局称,从发射到它真正开始工作的六个月期间,它还要面临 344 次单点失败的可能性。纽约时报在发射时,甚至开玩笑说:“韦伯发射前,天文学家们的早餐在吃什么?答案是他们的手指甲。”
对极限的挑战,也会伴随着意想不到的收获,一项新制冷技术,在韦伯太空望远镜的研发过程中被发明,只要韦伯能正常的通过太阳风接收电能,理想状况下工作寿命能达到 10 年。而且根据最近 NASA 估计,它很有可能可以超常服役 20 年。
本期《硅谷101》主播泓君,与客座主播哈佛-史密森天体物理中心博士后龙凤,对话美国亚利桑那大学天文学与天体物理学博士、詹姆斯韦伯科学团队成员吕建伟,一起聊聊外天文望远镜的历史传承,以及詹姆斯韦伯太空望远镜将面临的挑战。
星链是否影响韦伯工作,请见我们上一期报道《锁死地面天文观测,马斯克的星链为何被天文学者深恶痛绝?》
《硅谷101》:建伟现在属于詹姆斯韦伯团队的一员,你可不可以跟大家介绍下你参与了哪些方面的工作?
吕建伟:我目前是在亚利桑那大学天文系的詹姆斯韦伯科学项目组里,从事博士后阶段的研究。
平时我的研究方向是——通过红外波段,研究宇宙中超大质量黑洞和各种星系的特征。我自己也参与了若干詹姆斯韦伯的观测项目。观测目标从我们所在银河系中心的黑洞,一直拓展到宇宙中最遥远的类星体。所以宇宙不同年龄的各种天体我们都会进行一些系统的研究。
最近在做一些詹姆斯韦伯正式观测前的准备,包括数据模拟、工具开发以及背景科学的研究等。詹姆斯韦伯是人类有史以来最庞大的天文学项目,耗资超过了 100 亿美元。
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图|詹姆斯韦伯太空望远镜 图源:NASA
韦伯的口径大概有 6.5 米,镜面由 18 块小镜子拼接而。它是一个红外波段的望远镜。去年圣诞节刚刚被发射,目前正在前往最终目的地——拉格朗日 L2 点。这个点距离地球大概 150 万公里,比月亮还远 3 倍左右。
《硅谷101》:为什么它上太空会有如此重大的意义?它上去了以后可以解决什么问题呢?
吕建伟:首先,它比之前所有的空间太空望远镜都要大很多。此外,它工作的红外波段,特别适合一些关于宇宙起源和生命起源方面的科学研究。
按照 NASA 的讲法有四大科学目标。
第一个目标是探测宇宙第一代天体的信号。在宇宙大爆炸刚结束时,第一代恒星、星系以及活跃黑洞的信号。
第二个目标是限制星系的诞生和演化。主要是研究在宇宙不同时期,星系的各种特性及演化学上的关系。
第三个目标是探索一些恒星,以及周围原始星系盘的诞生。这也是之前太空望远镜观测不了或者说限制不够强的一个领域。
最后一个是望远镜也可以对太阳系内的行星进行观测,包括木星、土星、天王星、海王星等。同时它还可以观测太阳系外周围恒星的行星。在银河系中有很多恒星,在恒星周围也会有类似太阳系这类的系统。
科学家对这些太阳系外行星系系统里面,行星的各种特性非常感兴趣。大家会想那里的行星上会不会有什么大气,或者生命。这是非常令人兴奋的话题。
龙凤:这方面也是我工作的重点。我工作的方向大概就是去探究,为什么不同种类的行星系统可以形成,以及为什么它们跟我们太阳系不一样。詹姆斯韦伯在这方面会做出很瞩目的成果。
我想问一下建伟,可以给大家介绍一下红外天文学在过去几十年的发展吗?为什让它上天,会有这么突出的效果?为什么我们地面望远镜或者其它手段不能实现?
吕建伟:红外天文学的发展是一个非常庞大的话题,大概有几个世纪的历史,我只能从最简单的内容开始讲。
为什么要把红外望远镜放到太空中,而不是造好放在地球上?这是因为从地球上直接观测红外线特别难。地球大气层本身就有辐射很强的红外辐射线。地面上无论白天黑夜,天空一直很亮。红外波端保持很亮的状态,就很难甄别出微弱的天体信号。
这个不取决于有没有太阳,本身大气一直在辐射。你在白天晚上看天空,如果在红外波段的话,就一直就亮得跟白天似的。在这种环境下去搜索遥远天体的红外信号,就非常困难。因此不能在地面上做这件事情。
龙凤:我想用哈勃类比一下。哈勃是放在近地的轨道,韦伯这次放在 L2 ,会离哈勃的轨道会远很多。地球大气的红外辐射,是导致我们要把韦伯望远镜放那么远的主要原因吗?
吕建伟:是的。詹姆斯韦伯在红外波段需要非常灵敏,所以要一个非常冷的环境。它最终要到达的运行点,拉格朗日 L2 的环境温度是零下 223 度,周围的物质也非常稀薄,所以本身在周围环境里红外辐射就非常低了。
詹姆斯韦伯所需要的科学观测条件,只是把望远镜放在那里也不够。地球大气有红外辐射,在红外波端能看到一个很亮的地球和太阳。
所以詹姆斯韦伯做了一个非常大的太阳能遮阳板。它既是一个太阳能电池,也是遮阳板,有五层。遮阳板的存在,保证望远镜及其所有的仪器,永远不会被太阳或地球照射到。
它背对着太阳被遮阳板挡住的那一面的温度非常低。它的温度只有零下 234 摄氏度左右,大概是绝对零度以上 40 度。它当中有一个叫 MIRI 的仪器,工作温度低至 7k 即零下 266 摄氏度。团队用了很先进的技术来保证,它能一直在这种低温下保持正常工作。
跟哈勃太空望远镜相比,因为哈勃主要在紫外到近红外波段工作,所以它对温度或者说地球大气,及周围天体的红外辐射不是很敏感。它在近地轨道也可以进行一些正常的运行。
但如果你想工作到更长的波段,詹姆斯韦伯的波长要比哈勃长很多。哈勃最长波长是 2.5 微米,但詹姆斯韦伯的最长波长是 28 微米,超过了 10 倍,所以它被放在离地球相当遥远的地方。
《硅谷101》:我简单总结一下,我们之所以要把望远镜放到太空里,是为了避免地球上红外波段的干扰。哈勃望远镜的观测范围可以说是可见光加上一些红外波段的不可见光。但詹姆斯韦博的观测范围含全红外波段。
吕建伟:对,可以这么说。它光学也有一点可以拍摄,但不是主要功能。
《硅谷101》:哈勃望远镜对天文学有过很多重要的贡献。可不可以简单介绍一下,它对天文学的重要贡献是什么?为什么把望远镜放到太空中,会让那么多科学家都非常激动?它到底可以做些什么?
吕建伟:哈勃太空望远镜做出了非常多的科学发现,很难挑出一个大家公认一致的最重要的贡献。但是我个人觉得最知名的是「哈勃极深场」的这个天区。哈勃在它运行近 30 年的时间内,在天空中一个特定的位置进行了反复多次、多波段的观测,达到了 22 天的曝光时间。即望远镜在那个点一动不动盯了 22 天,收集该方向上宇宙遥远的星光信号。
它在那个很小的区域,发现了一万多颗遥远的星系。大家公认宇宙现在的年龄是 138 亿年。而哈勃通过极深场看到了在宇宙年龄 5 到 6 亿年间的星系信号。这算是目前为止人类看到过最遥远的宇宙的星光信号。这是人类目前的极限。
哈勃它相对较小,且工作波段偏蓝,而不是特别在红外波长长的地方。所以他对最早期的这种星系的限制比较少,只是能模糊看到一些斑点,并不清楚具体性质。
《硅谷101》:我们可不可以这样理解,如果想要探索宇宙起源,用哈勃望远镜相当于看到了宇宙在恒星、行星形成的幼年时期的照片;但是用詹姆斯韦伯,可以看到更早的婴儿时期的照片。
吕建伟:对,哈勃目前探测的极限是宇宙年龄为 5 到 6 亿年的星系,詹姆斯韦伯大致能看到宇宙年龄在 1 到 2 亿年时星系,或者别的恒星的信号。这个宇宙时期到底存不存在星系或者恒星?如果存在它们的性质是什么?大家都不知道。很多猜测都需要我们用詹姆斯韦伯观测。
《硅谷101》:照片拍回来后可能就是龙凤主要去研究的东西了。相当于建伟在前面造望远镜,龙凤期待望远镜传回的照片帮助拓展研究。
龙凤:可能我们俩都会用到照片来做科学研究。对于我自己的研究方向,哈勃也做了很多电子性的工作。我的方向大致是研究行星怎么形成。
太阳系里几大行星几乎在同一个平面上围绕着太阳运动。我们可以假想行星形成的过程在一个很薄的盘形平面完成。这个假想通过哈勃在 20 年前传回的照片得到证实。它帮助我们了解到这种结构非常广泛存在,所以星系形成的过程到处都有。借此我们发现了那么多系外行星。
韦伯会在此基础上对这些盘形结构做更细致的分析,对已知的行星的大气做很多,细致的结构成分的分析,探究有没有跟生命相关的分子存在。
《硅谷101》:我之前看过一个科普纪录片。他提出要研究人的一生,并不是从人的婴儿到儿童到老年的时间维度去研究。宇宙它的年龄太大,如果拍到一个足够大的照片含有足够的样本,我们可以同时研究它的多个年龄期,看这个行星是怎么进化的。
龙凤:对,所以需要我们的设备足够强大,集光能力足够好,才能看到更遥远的地方。那是它更早期的时候,有更大的样本可以全天候,在不同的波段同时观测,保证足够的样本做统计性分析。
《硅谷101》:可以拍到更多更大的样本。
龙凤:对,以及更细节的信息,它口径比哈勃大得多。
吕建伟:我补充下,关于早期的恒星或者恒星周围的星系盘的形成, 詹姆斯韦伯有一个很大的优点。它的观测波长较长,所以能看到更冷的、周围尘埃很多的一些系统。这个对应了非常早期的恒星或者周围的星系盘形成的时间。

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