更点击上方蓝字关注我，获取更多北美的精彩原创文章。 video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2196724539160657920韦伯望远镜的运行轨道动画 圣诞节最大的新闻，是詹姆斯.韦伯太空望远镜升空。 现在，它正以每秒将近一公里的速度，飞向太空深处。 这是人类有史以来最大、最昂贵和耗时耗力最多的一架望远镜。美国、欧洲和加拿大花了25年，100亿美元，才造出了这个巨无霸。 为什么要这么大代价，来造一个望远镜？今天我们就来聊聊韦伯，它到底厉害在哪里，有哪些鲜为人知的技术创新？ 一 要说韦伯，还得从著名的哈勃说起。 1990年，花了25亿美元和将近20年时间，美国终于把当时最牛的太空望远镜---哈勃送上天。但很不幸，哈勃拍回来的第一张照片，震惊了全世界。 这是哈勃传回的第一张照片（右），和智利拉斯坎帕纳斯天文台望远镜拍摄的同一片空域对比，不是太好了，而是太差了。  不靠谱的技术人员，让哈勃对焦不准，成了一个“近视眼”，这个昂贵的望远镜成为全美的笑话。 幸运的是，哈勃就在我们头顶不远处，还可以维修。 NASA花了三年多时间，派遣航天员上天，终于修复了哈勃的近视眼。 这是哈勃修复前后的照片对比  磕磕绊绊，经历多次大修，但哈勃依然成为有史以来最厉害的望远镜，它改变了人类对宇宙的认知。我们很多人的电脑桌面或者手机屏保照片，就是哈勃拍摄的。 也就是在哈勃闹心的时期，NASA科学家们萌生了重新再造另一个更大、更冷和对红外光更敏感的大望远镜，去探索太空深处，这就是韦伯。 二 韦伯比哈勃强在哪？ 就还得从韦伯太空望远镜的原理说起。 根据宇宙大爆炸理论，宇宙是加速膨胀的，距离越远的星体，远离我们的速度越快。当这些遥远古老的星系发出来的可见光，或者高频的电磁波，抵达我们地球时，绝大部分已经在中途消耗掉了，我们已经无法看到它。这就是哈勃和诸多光学望远镜的局限，它们只能看到可见光。 但是，这些光并没有彻底消失，它们变成了微弱的红外光。如果我们能造出一台足够强大的红外望远镜，收集这些红外光，那我们就能重新“看到”这些星系。  可见光、近红外线和中红外线拍摄的星系照片对比，后两者能观察到更多宇宙天体以及尘埃等。 1 它能看到古老的低能量褐矮星、年轻的原恒星。这些星星发出的光线过于黯淡，没法看见可见光，只能探测到红外光。 2 它能看到自身不发光的天体，譬如行星、小行星、彗星以及尘埃等。这些天体如果不反射恒星的光，是没法看到的，而用红外线望远镜可以探测到。 3 它也能看到类地行星。能不能找到外星人，或者能让人类移民的星球，最可能的就是它了。 波长越长的望远镜，就能看的更远。简单说，具备观察近、中、长三种红外波长的韦伯太空望远镜，是一台超级“时间机器”，能看到宇宙的过去。 因此，韦伯比哈勃强太多了。哈勃可以看到5亿光年前的宇宙，而韦伯能看到136亿光年前的宇宙，也就是宇宙的萌芽时期。 三 但红外线望远镜生存的条件很苛刻。 首先，它需要放在一个理想的地点。 地面的望远镜，即使天气很好，没有污染，空气中的水分、杂质颗粒、二氧化碳等气体，也会干扰红外波观测。另外，中红外波只存在太空，所以，红外波望远镜不能呆在地球上，太空是它最理想的家。 在距离地球160万公里的太空深处，有一个放置太空望远镜最理想的据点：拉格朗日L2点，（Lagrange point L2）。到这是地球到月球距离的4倍。 那里是一个引力平衡点，就像在桌子上立一根筷子，虽不稳定但能保持平衡。科学家们给韦伯望远镜在在L2点附近，设计了一个三维轨道，让它能利用太阳和地球的引力来运行。 这个地方还有个好处，望远镜可以保持背向太阳和地球的方位，易于保护和校准。  这个距离比哈勃就远多了，哈勃距离地球也就是550公里远，韦伯是160万公里。要一个月左右才能飞到目的地。 然后，它需要“大眼睛”，越大越好，能收集到足够的光波。 按照科学家最初的计算，韦伯需要一个直径6.6米的大镜子作为主镜，才能收集到足够的光。 但这么大的镜子，制作起来就很困难，更不可能把它装进火箭，再发射到太空。科学家们想了个办法，把主镜做成一个可以调节的蜂窝状的镜子。  主镜由18块六边形的镜子组成，18块镜子都是镀金的，能反射足够多的光，同时，每一块镜子后面，有动力和调节装置，都是用计算机计算并调整位置，调整的精读能高达10个纳米，也就是人头发的万分之一大小。 18面镜子组成一起，就如一个完整的大镜子，能达到最佳效果，收集到最多的光。 韦伯的主镜直径，是哈勃的6倍，下面这个图能看到两者区别。  下面这个图，完整的再现了韦伯收集红外光的过程，经过主镜、次镜和三级反射镜的多次反射后，收集到足够的光源。  而且，这面大镜子还是可以折叠，这样，在发射时，就能轻松的装进火箭。 此外，韦伯还携带了一大堆先进的近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像无缝隙光谱仪等精尖的仪器，能看到一个我们从未“看见”的宇宙。 四 但是 韦伯这样的红外线望远镜，有个巨大的弱点：它需要在极低的温度中工作。 有温度的物体，都会散发出红外光，韦伯携带的红外线相机和探测仪等设备，都会产生热，而热辐射是红外探测仪的死敌，因为，设备辐射出来的红外光，会让红外相机等系统失灵。 这意味着望远镜就“瞎了”。  这就是哈勃干不了这个活的原因，它的体温很高，散发出的红外光，导致它无法接受识别从遥远星系传递过来的微弱的红外光。 所以，韦伯需要把设备温度降低，短红外波仪器要求的温度是零下234摄氏度，中红外波相机要求的温度是零下266度以下。 宇宙中很冷，但是还不够冷到韦伯能正常工作。这就说到韦伯望远镜的一个核心设计，降温。 在太空中降温，有两种常用的办法：被动降温和主动降温。 被动降温就是遮挡。因为太空中的主要热辐射来自恒星，就像太阳，或者地球和月亮的反射光，如果把这些光都遮蔽了，温度就降下来了。 主动降温就像家里的冰箱，或者空调，用冷却剂把热量带走。  韦伯的主镜镜片在测试 此前，红外望远镜采用的就是主动降温。 怎么弄呢？自带一瓶液氮上天，采用液氮等作为制冷手段。 这个办法很有效，但有一个致命的弱点，液氮用完了就没有了，在太空中无法补给液氮。所以，这类望远镜，寿命也就是几个月，最多几年。 2009年，欧洲的发射了人类最大的红外望远镜，赫歇尔太空望远镜，但只用了4年，液氮耗尽，就匆匆结束了使命。 韦伯采用了更先进的理念，被动降温+主动降温。  它有一个巨大的遮阳板来被动降温。对，你没看错，遮阳板！这玩意就跟你夏天，放在车挡风玻璃后的遮阳板原理一样，但要先进的多。 在太空中远看韦伯，就像顶着把遮阳伞。望远镜的一面面向太阳，提供能量给太阳能电板，主要工作部件和镜头就躲在遮阳板后面，接收宇宙深处的红外波。 遮阳板有5层，每一层就如人的头发丝一样薄，但能屏蔽掉90%的太阳光能量，五层叠加，能使向阳面和背面的温度差，达到惊人的300摄氏度，把设备温度降低到零下233摄氏度。  但光有遮阳伞还不够，中红外相机的要求的温度更低，零下267度，还需要辅助主动降温手段，韦伯用携带的循环冷却机进行降温，但相比液氮，消耗量大减，总的寿命能在10年以上。 韦伯的遮阳板有网球场那么大，当然不能让火箭顶着这个么大个上天，因此，发射时是折叠在火箭脑袋里的，一共折叠了12次，变成一把遮阳伞那么大。  video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2196736690831097861韦伯的遮阳板打开全过程上天后，会逐渐打开，一直到28天后，才能彻底打开。 之后，还要花费六个月左右时间，调整望远镜镜片等，也就是要等到明年6月份，我们可能才知道，韦伯能否正常工作，这个项目是不是成功了。 如果一切顺利，相信在未来的10年或更久，韦伯能带给我们更多宇宙的秘密。 跟哈勃不一样的是，这么远的距离，韦伯基本上是个一次性天文台，不可能像维护哈勃太空望远镜一样，派宇航员飞过去维修。 但是，科学家们在韦伯太空望远镜上，还是安装了对接口。NASA也有计划未来让机器人去加注冷却液。说不定哪一天，机器人或者人类，能飞到遥远的L2点，去操作韦伯望远镜呢。 致谢：感谢多伦多大学天文学博士吴瀚波提供专业审校。 END  我们在这里分享，美国加拿大的工作生活经历。对北美教育生活有兴趣的朋友，从K-博，欢迎关注。  欢迎转载，但必须在正文前署名，并附上二维码 我们组建了“带娃出海交流群”，虽然疫情挡住了出国路。但我们可以一起探索教育国际化潮流，分享各国资源和经验。家长可以长按识别下面的二维码，加“美加双城记”微信号，拉你入群。  热文推荐 百万爆文：坐了40年冷板凳，现在拯救美国就靠她必看热文：美国港口世纪大堵塞，原因如此简单国家领导人的求救电话彻底变了！不看分数，哈佛等美国315所大学发布明年招生指引刚刚！NASA首次公布了真正的火星登陆视频和音频！之前火遍全网的是假的…我在美国，两年突破了英语，还发现的中国孩子学英语的那些坑最痛苦的拷问：美国为什么是世界上最伟大的国家？美国疫情反思（一）拯救了美国的mRNA 疫苗，制造过程首次揭秘 中国人要不要取英文名？ 普通家庭孩子，不要读人文学科 抖音TikTok在美国有多可怕？大门会一直关下去吗？美国现在的治安到底怎么样？ |
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