对于很多天文爱好者来说,韦伯望远镜是个耳熟能详的名字,因为它于1996年就开始研发,多次推迟发射,前后耗时25年,造价高达100亿美元,成为人类历史上造价最高、耗时最长的太空望远镜。我们都知道哈勃太空望远镜已顺利服役30多年,为何韦伯望远镜如此“费劲”?为何多次推迟发射?它去的L2点是什么点?《科技周刊》记者(Q)邀请到南京天文爱好者协会科普专员何骏(A)解析。
Q:韦伯望远镜与我国的郭守敬望远镜观测内容有什么不同?
A:韦伯望远镜观测的是红外波段,主要观测目的是寻找135亿年前宇宙大爆炸后诞生的第一批星系,研究各星系演化的各阶段。而我国的郭守敬望远镜(LAMOST)设计用途是大视场(5°)多目标光谱巡天。这是两种不同用途的望远镜,设计用途和使用用途都不一样。
Q:为什么韦伯望远镜的发射计划一拖再拖,这中间出了哪些“岔子”?
A:韦伯望远镜项目启动于1996年,最初命名为“下一代望远镜”,2002年为了纪念在阿波罗登月计划中做出突出贡献的NASA第二任局长詹姆斯·韦伯改为现名。按照一开始的计划,韦伯望远镜项目的预算为5亿美元,应该于2007年发射。后来因为预算追加的原因不断推迟,到了2008年本应发射的节点上预算已经追加到了51亿美元。到了2017年,为了做更多更精细的测试,预算飙升到了88亿美元。2019年发射又一次延迟,预算这时已经追加到了97亿美元。直到2021年12月,预定的24日发射又因为天气原因推迟到了25日。
Q:望远镜的表面光滑如镜面,采用了镀金工艺,为什么要这样做?
A:说望远镜的反射面“光滑如镜”还不足以说明镜片的光滑度。韦伯望远镜的主镜直径为6.5米,是由18片直径为1.32米的六边形子镜片组合而成,每片子镜片的表面粗糙度都要求在20nm之内。作为对比,哈勃太空望远镜是单一镜片的结构,口径则只有2.4米。为了增强红外线的反射率,在反射面上镀了大约100nm厚的黄金镀膜。又因为黄金非常柔软,在镀膜上又沉积了薄薄的一层二氧化硅保护层。
Q:L2点是什么,为什么要去这个150万公里远的点?中间的信号怎么传输?
A:L2点的全称是“日地拉格朗日L2点”,拉格朗日点其实是三体问题的特解。通俗说来:我们都知道,三体问题没有解析解。但如果在一个三体系统中的第三体的质量远远小于其他二体,那么可以近似简化为二体问题,而二体问题是有解的。5个拉格朗日点就是方程组的特解。在这5个位置,第三体处于其他二体的引力平衡位置,这个系统是稳定的。回归到韦伯望远镜的例子中,望远镜的质量只有6.2吨,在地球质量和太阳质量面前几乎可以忽略不计。L2点处于太阳—地球的连线延长线上,这里终年不见阳光,有利于望远镜保持低温,因为探测器的工作温度在50K(-223℃)左右。顺带一提,我国的嫦娥二号月球探测器,在执行完月球探测任务后,也前往过日地拉格朗日L2点进行科学探测,并持续在附近运行了5天。信号传输可以直接向地球传送,这是没有问题的,美国有深空通信网,在世界多个地区安装有大型通信天线。
Q:韦伯空间望远镜的主要任务是调查大爆炸理论的残余红外线证据,红外线波段可以让观测分辨率更高吗?
A:红外线探测并没有让分辨率提高。韦伯望远镜设计用途是探测宇宙大爆炸的余辉和初期诞生的星系,这些星系距离我们非常遥远,有明显的“红移”现象。它们发出的光已经从可见光波段红移到了红外光波段,所以韦伯望远镜主要观测的就是红外光波段,也有少部分偏橙色和红色的可见光波段。
Q:韦伯空间望远镜对人类观测宇宙的意义是什么?
A:人类突破了工程学上的难题,制作出更大、更轻、更复杂的太空望远镜。加强了国际间的科学合作,韦伯望远镜是美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局的联合项目。是哈勃太空望远镜的继任者,哈勃的成功毋庸置疑,它不单单是天文学的成功,也是社会学的成功,使普通的百姓也能获得最前沿的科学知识。哈勃和韦伯共同承载了人类对宇宙的探知和渴望,代表了人类最远的好奇心。
A:科学永远不可能是一帆风顺的,科学探索都有失败的可能。假若韦伯在后续的任务中失败了,也是正常现象,完全不必要悲观。首先建造完成韦伯望远镜,在工程学上就已经是成功;其次通过分析失败原因,可以总结经验教训,提升下次的任务成功率;还有失败本身也是有价值的,可以知道“此路不通”;最后失败总归只是成功的阶梯,人类只要保持积极向上的心态,保持好奇心,总归奔向成功。