如何将詹姆斯·韦伯太空望远镜送入太空 并保证它会正常工作?

    来源: 赢家娱乐

      詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2021年12月18日前往太空。有了它,天文学家希望找到宇宙中第一个形成的星系,将在其他行星周围寻找类似地球的大气层,并实现许多其他科学目标。那么,如何将詹姆斯·韦伯太空望远镜送入太空?首先我们先了解下它的设计原理以及作用和运送的难点。

      为了看到宇宙深处,望远镜有一面非常大的镜子,必须保持极冷。但是把这样一件易碎的设备送上太空可不是一件简单的事情。为了设计、测试并很快发射和校准有史以来最强大的太空望远镜,天文学家们不得不克服许多挑战。

    如何将詹姆斯·韦伯太空望远镜送入太空 并保证它会正常工作?.jpg

      韦伯望远镜有一面超过 20 英尺的镜子,一个网球场大小的遮阳板可以阻挡太阳辐射,还有四个独立的相机和传感器系统来收集数据。

      它的工作原理有点像卫星天线。来自恒星或星系的光将进入望远镜的口,并从主镜反射到四个传感器:NIRCam,它拍摄近红外图像;近红外摄谱仪,可以将一系列光源发出的光分成不同的颜色,并测量每种颜色的强度;中红外仪器,拍摄图像并测量中红外波长;以及近红外成像无狭缝摄谱仪,它可以分离和测量科学家指向卫星的任何物体的光线。

      这种设计将使科学家能够研究银河系中恒星的形成方式以及太阳系外行星的大气层。甚至有可能弄清楚这些大气的组成。

      自从埃德温哈勃证明遥远的星系就像银河系一样,天文学家一直在问:最古老的星系有多少岁?它们最初是如何形成的?随着时间的推移,它们是如何变化的?韦伯望远镜最初被称为 “第一台光机”, 因为它旨在回答这些问题。

    为了探测最遥远和最古老的星系,望远镜需要很大并且保持极冷.jpg

      该望远镜的主要目标之一是研究靠近可观测宇宙边缘的遥远星系。来自这些星系的光穿过宇宙到达地球需要数十亿年的时间。天文学家将使用 NIRCam 收集的图像可以显示大爆炸后仅 3 亿年形成的原星系——当时它们的年龄只有当前年龄的 2%。

      寻找大爆炸后形成的第一批恒星聚集是一项艰巨的任务,原因很简单:这些原星系距离很远,因此看起来很暗。

      韦伯的镜子由 18 个独立的部分组成,可以收集比哈勃太空望远镜镜子多六倍的光。远处的物体看起来也非常小,因此望远镜必须能够尽可能紧密地聚焦光线。

    这里看到的 NIRCam 詹姆斯韦伯将测量来自极其遥远和古老星系的红外光.jpg

      望远镜还必须应对另一个复杂问题:由于宇宙在膨胀,科学家们将用韦伯望远镜研究的星系正在远离地球,多普勒效应开始发挥作用。就像救护车的警报声在经过并开始远离您时会向下移动并变深一样,来自遥远星系的光的波长也会从可见光向下移动到红外光。

      韦伯探测红外光——它本质上是一个巨大的热望远镜。为了在红外光下“看到”微弱的星系,望远镜需要特别冷,否则它只能看到它自己的红外辐射。这就是隔热罩的用武之地。隔热罩由涂有铝的薄塑料制成。它有五层厚,尺寸为 46.5 英尺(17.2 米)乘 69.5 英尺(21.2 米),将使 镜子和传感器保持在负 390 华氏度(负 234 摄氏度)。

    金镜下方的五层银色材料是一个遮阳板,可以反射光和热,使传感器保持难以置信的低温.jpg

      韦伯望远镜是一项令人难以置信的工程壮举,但是如何将这样的东西安全地送到太空并保证它会工作呢?

      1.测试和排练

      詹姆斯韦伯太空望远镜将在距地球 100 万英里 (150 万公里)的轨道上运行 ——比国际空间站远约 4,500 倍,而且太远而无法由宇航员提供服务。

      在过去的 12 年里,该团队对望远镜和仪器进行了测试,摇晃它们以模拟火箭发射并再次对其进行测试。一切都在极端的轨道运行条件下进行了冷却和测试。

      一位天文学家分享他的工作情况:

      我永远不会忘记我的团队在休斯顿使用为阿波罗月球车设计的腔室测试 NIRCam。这是我的相机第一次检测到从望远镜反射镜反射回来的光,我们高兴得不能再高兴了——尽管哈维飓风正在外面与我们搏斗。

      测试结束后进行了彩排。望远镜将通过无线电链路发送的命令进行远程控制。但由于望远镜距离太远——信号向一个方向传播需要 6 秒——没有实时控制。因此,在过去三年中,我和我的团队一直前往巴尔的摩太空望远镜科学研究所,并在模拟器上进行演练任务,涵盖从发射到日常科学操作的所有内容。该团队甚至练习处理潜在的问题,测试组织者扔给我们,可爱地称之为“异常”。

    工程师和科学家在一个极冷、低压的低温真空室中测试了整个望远镜.jpg

      2.需要一些校准

      韦伯团队将继续排练和练习,直到12月的发射日期,但我们的工作远没有在韦伯被折叠并装入火箭后完成。

      天文学家需要在发射后 35 天等待部件冷却,然后才能开始校准。镜子展开后,NIRCam 将捕捉各个镜子片段的高分辨率图像序列。望远镜团队将分析图像并告诉电机以十亿分之一米的步长调整分段。一旦电机将镜子移动到位,将确认望远镜对准是完美的。这项任务非常关键,以至于船上有两个相同的 NIRCam 副本——如果一个失败,另一个可以接管校准工作。

      这个校准和检验过程需要六个月。完成后,韦伯将开始收集数据。

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