热红外太空望远镜-红外线太空望远镜

本文目录一览：

• 1、詹姆斯·韦伯太空望远镜启动，揭开宇宙诞生，有生命系外行星之谜
• 2、詹姆斯·韦伯太空望远镜成功发射，宇宙诞生的奥秘或许会即将揭开
• 3、詹姆斯·韦伯太空望远镜团队中的一位天文学家解释了“第一台光机”
• 4、耗100亿巨资的詹姆斯韦伯太空望远镜，它是一个怎样的科学仪器？

詹姆斯·韦伯太空望远镜启动，揭开宇宙诞生，有生命系外行星之谜

去年年末12月25日(美国时间)，“詹姆斯·韦伯太空望远镜”在圭亚那航天中心发射升空。那么，性能远超哈勃望远镜的这架望远镜，将为我们揭开宇宙的怎样的谜团呢？

除了地面望远镜外，太空望远镜也用于观测宇宙。太空望远镜不会受到覆盖地球的大气层的干扰，因此能够以比地面更好的条件观测到遥远的天体。1990年发射的哈勃太空望远镜在上空约600公里的轨道上运行，通过直径2.4米的主镜遥望遥远的远方，逐渐揭开了宇宙的神秘面纱。

作为哈勃太空望远镜之后太空望远镜的王牌，以NASA(美国航空航天局)为中心计划的是 “詹姆斯·韦伯太空望远镜”。

望远镜对应眼睛的主镜越大，就能收集更多的光，也能捕捉远处较弱的光。 詹姆斯·韦伯太空望远镜 的18个主镜直径为6.5 m，面积约为哈勃太空望远镜主镜的6倍，利用这个巨大的主镜，捕捉长途旅行后到达的极其微弱的红外线，挑战解开宇宙之谜。

其位置也与哈勃太空望远镜大不相同。哈勃太空望远镜在地球上空约600公里，绕月更近的位置，但 詹姆斯·韦伯太空望远镜 被放置在从地球上看太阳和对面的约为150公里，比地球与月亮的距离约4倍远的地方。

望远镜的形状也很独特。主镜的地板上有5层遮阳膜。用这个大遮阳罩，阻挡从太阳、地球和月亮传来的光和热。因为 詹姆斯·韦伯太空望远镜 要想充分发挥其性能，必须保持零下223度以下的超低温，即使是极小的光和热，也会对精密的红外观测产生影响。

迄今为止观测到的最远天体是位于134亿光年之遥的银河。这个银河的光是134亿年前发出的，现在已经到达了地球。也就是说，看远方的宇宙，就是看过去的宇宙。

一般认为，宇宙诞生于138亿年前的大爆炸，2亿~ 4亿年后诞生了第一颗星星，之后形成了第一个星系。

詹姆斯·韦伯太空望远镜 的任务目标之一是调查早期宇宙中最初的星系是如何形成的。如果一切顺利的话，我们将追溯以往望远镜的观测极限，也许能了解宇宙诞生后不久的样子。

通过对太阳系和太阳以外的恒星所拥有的行星(系外行星)的观测，探寻生命存在的可能性也被列为任务的目标。大约从30年前开始，在太阳以外的恒星中也陆续发现了行星，到目前为止已经确认了4900个以上(2022年1月)。其中也有与地球环境相似的行星，那里是否存在生物，不仅是天文学家，也是我们所有人都想知道的谜。

“宇宙诞生”与“存在生命的系外行星”。这是人类要挑战这两大令人兴趣盎然的课题，要想研究这些课题，那么人类的目光就无法从詹姆斯·韦伯太空望远镜上移开。据说发射后经过约6个月的准备时间，将开始长达5 ~ 10年的观测，夏天前或许会收到第一份报告。让我们一起来期待吧。

大家有没有觉得，韦伯望远镜的主镜面形状，像不像我国的日晷？

詹姆斯·韦伯太空望远镜成功发射，宇宙诞生的奥秘或许会即将揭开

古往今来，宇宙究竟是如何诞生的问题，困扰了无数的科学家。尽管有了 “宇宙大爆炸” 的理论，以及最有可能接近宇宙真相的爱因斯坦所提出的 “相对论” ，但按照人类目前的宇宙探测手段，对于宇宙的认识仍然十分有限。

但这一切，可能会被人类的一只新的眼睛所改变。你没有看错。

人类有了一只新的眼睛，它有红外传感器，可以窥视宇宙的最深处。 它是这样运作的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜，也被简称为JWST，终于推出了12月25日，它开始了距离地球93万英里的旅程。 这是下一代取代著名的哈勃太空望远镜。哈勃已经捕捉超过30年的精彩照片，但是是时候做些更好的事情了。JWST号的任务是利用它的红外传感器 探索 天空中最遥远和最难看到的部分，帮助寻找系外行星和 探索 宇宙的早期。因此，现在似乎是回顾与太空望远镜相关的最重要科学概念的好时机。

为什么要把望远镜放在太空？

你可以用一些双筒望远镜或消费望远镜从地球上看到各种各样很酷的东西，比如星云和彗星。但是如果你想要研究质量的遥远星系的图像，你有一个问题:空气。 你可能认为空气是透明的，但这只是部分正确。

光是电磁波，就可以有不同的波长。人们只能看到很窄的波长范围，从380纳米(1纳米是10-9米)到大约700。我们的大脑把长的解释为红色，把短的解释为紫色。这些波长能够穿过大气层，而亮度没有太大的下降——因此我们可以说空气对可见光是透明的。

然而，对于我们用眼睛检测不到的其他波长的光，空气就不是那么透明了。 如果我们考虑电磁光谱的红外区域(或比红色更长的波长)，那么这些光的大部分可以被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收。(是的，这和全球变暖的情况是一样的:当可见光照射到地球表面时，温度升高，并辐射出红外线。空气中的二氧化碳吸收了一些红外线，进一步提高了大气温度。这会导致严重的 东西 对人类来说。)

这种光吸收也是地基红外望远镜的一个特殊问题。这就像试图透过云层看天空——这是行不通的。

解决这个问题的一个办法就是把望远镜放在没有空气的地方:太空中。(当然，每一个解决方案都会带来更多的挑战。在这种情况下，你实际上必须把一个超灵敏的科学仪器放在火箭上发射，这是一个大胆的举动。)

JWST为什么看红外光？

JWST实际上看着二红外光的范围:近红外和中红外。 近红外光是波长非常接近可见红光的光。这是你的电视遥控器使用的波长(如果你能找到的话——可能在沙发垫下面)。

中距离红外线通常与热量有关，这是事实。 事实证明，万物都会发光。是的，你正坐在那里发光。物体发出的光的波长取决于它的温度。天气越热，光的波长就越短。所以，虽然你看不到红外范围内发出的光，但有时你可以感觉它。

试试这个:打开厨房的炉子，把手放在炉子上，但不要碰它。随着元素变暖，它会产生红外光。你看不到这种光，但当它击中你的手时，你可以感觉到它是热的。

虽然你看不到这种光，但红外相机也可以。 看看这张我倒一杯热咖啡的红外照片:

这是一个假彩色图像。基本上，相机将颜色——从黄色到紫色——映射到不同波长的红外光上。较亮的黄色部分(像那壶咖啡)代表较热的东西，较暗的紫色部分较冷。当然，现实比这个复杂(你也可以有反射红外光)，但你得到了这个想法。

太好了。但是为什么JWST看红外线吗？原因是多普勒效应。

你已经知道多普勒效应了。当火车或 汽车 从你身边高速驶过时，你可以听到:声音会改变频率，因为声源首先向你移动，然后远离你。当车辆向你驶来时，声音的波长较短，因此音调较高，当车辆驶离时，声音的波长较长，音调较低。

碰巧的是，你也可以用光得到多普勒效应——但是由于光速超快(3 108m/s)，在许多情况下效果并不明显。然而，由于宇宙的膨胀，我们从地球上看到的几乎所有星系都在远离我们。所以对我们来说，它们的光似乎有更长的波长。我们称之为红移，这意味着波长更红，因为它们更长。对于非常远的物体，这种红移非常大，以至于有趣的东西在红外光谱中。

实际上，在JWST使用红外光还有另一个很好的理由:由于气体和尘埃是旧恒星的碎屑，很难一览无余地看到遥远的天体。它们比红外波长更容易散射可见光。本质上，红外传感器能够比可见光望远镜更好地看穿这些云。

由于JWST在红外光谱中进行观测，科学家们将需要望远镜周围的一切尽可能黑暗。这意味着望远镜本身需要非常冷，以避免发射自己的红外辐射。这也是它有遮阳棚的一个原因。它会阻挡主要仪器的阳光，这样它们就能保持寒冷。这也将有助于消除多余的光线，这样望远镜就可以从系外行星上获取相对较暗的光线当它们绕着明亮得多的主星运行时。(否则，就像有人用手电筒照你的脸时，试图在黑暗中看到一样。)

JWST是如何感知宇宙过去的时光？

光是一种传播速度非常非常快的波动。在短短的一秒钟内，光可以环绕地球的圆周超过七次。

当观察天体时，我们必须考虑光从天体传播到我们的望远镜或眼睛所需的时间。例如，来自附近半人马座阿尔法星系的光需要4.37亿年才能到达地球。所以如果你在天上看到它，你就真的看到了4.37亿年的过去。

(其实你看到的一切都是过去。你在过去大约1.3秒看到月亮。当被发现离地球最近时，火星已经过去了三分钟。)

这个想法是为了让JWST能够看到超过130亿年的过去，到第一批恒星形成时的宇宙演化阶段。如果你仔细想想，那真是太棒了。

什么是拉格朗日点？

哈勃太空望远镜在近地轨道，这很好，因为宇航员可以在需要的时候维修它。但是JWST会更远，在L2拉格朗日点。但是拉格朗日点到底是什么？

让我们考虑哈勃绕地球运行。对于任何在圆内运动的物体，都需要有一个向心力，或者一个把它拉向圆心的力。如果你把一个球在一根绳子上绕着你的头摆动，把它拉向中心的力就是绳子的张力。对哈勃来说，这种向心力是由于它与地球相互作用而产生的引力。

当一个物体远离地球时，这种引力的强度就会降低。因此，如果望远镜移动到更高的轨道(更大的圆形半径)，向心力会降低。为了保持在圆形轨道上，哈勃需要更长的时间才能进入轨道。(我们会说它的角速度比较低。)

JWST绕着太阳转，而不是绕着地球转——但同样的想法也适用。轨道距离越大，完成一个轨道所需的时间就越多。但是如果你想让JWST离太阳更远呢和在与地球相同的时间内完成一个太阳轨道？(为了更容易控制，望远镜还必须保持相对于地球的相同位置。)为了让这一切发生，你需要使用一个技巧。

这个技巧就是拉格朗日点，一个地球和太阳都在同一方向施加引力的空间位置。一个物体在这一点上有两个引力拉着它，使它做圆周运动。这使得它能够以更高的速度绕太阳运行。它也使它相对于我们的星球保持在一个固定的点上。

地球-太阳系统有五个拉格朗日点。(如果有L2，那么至少应该有L1——对吗？)L2拉格朗日点距离地球约150万公里，这比400公里的低地球轨道要远得多。

以下是地球-太阳系统的其他四个拉格朗日点(未按比例显示):

事实上，JWST不会坐在L2点。相反，它将处于非常缓慢的轨道上。我知道一个物体能在什么都没有的地方绕轨道运行看起来很奇怪——但是记住，望远镜实际上不会绕L2点运行；它将围绕太阳运行。它只会看起来像是从地球上的旋转参考点绕着L2转。

为什么人类要在JWST花费数十亿？

该望远镜的成本约为88亿美元，另外还有10亿美元的运营成本。有些人可能会说这只是太多的钱。事实上，你可以让我相信，有相当多的项目，这么多的数十亿将更好地花费。

但是JWST仍然是一个好的项目。这是对基础科学的投资。科学，像艺术、文学或 体育 一样，是使我们成为人类的东西之一。人性的一部分是我们对周围宇宙的好奇。有了望远镜，也许我们会发现宇宙大爆炸后不久的样子。我们将能够查找更多行星到处其他明星甚至寻找签名生活的。我们将了解第一批星系是什么样的，以及它们是如何形成的。 但科学家认为，他们能从詹姆斯·韦伯太空望远镜中期待的最好的东西，是那些甚至还没有被问到的问题的答案。

詹姆斯·韦伯太空望远镜团队中的一位天文学家解释了“第一台光机”

詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2021年12月18日进入太空。 天文学家希望通过它找到宇宙中最早形成的星系，将在其他行星周围寻找类似地球的大气层，并完成许多其他科学目标。 Marcia Rieke是一名天文学家，也是韦伯望远镜上的近红外相机（简称NIRCam）的主要调查员。Rieke参与了相机和整个望远镜的开发和测试工作。

为了看到宇宙深处，望远镜有一个非常大的镜子，必须保持极度低温。但是把这样一个脆弱的设备运到太空中并不是简单的任务。Rieke和同事们必须克服许多挑战，以设计、测试并很快发射和校准有史以来最强大的太空望远镜。

年轻的星系和系外行星的大气层

韦伯望远镜有一个直径超过20英尺的镜子，一个网球场大小的遮阳板来阻挡太阳辐射，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一个卫星天线。来自恒星或星系的光线将进入望远镜口，从主镜上反弹到四个传感器上。NIRCam，拍摄近红外图像；近红外光谱仪，可以将来自选定来源的光线分成不同的颜色，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的波长；以及近红外成像无缝隙光谱仪，将科学家指向卫星的任何物体的光线分割并测量。

这种设计将使科学家能够研究银河系中的恒星是如何形成的，以及太阳系以外的行星的大气层；甚至有可能弄清这些大气层的组成。

自从爱德文·哈勃证明遥远的星系与银河系一样后，天文学家们就问：最古老的星系有多老？它们最初是如何形成的？它们又是如何随时间变化的？韦伯望远镜最初被称为“第一台光机”，因为它的设计正是为了回答这些问题。

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。来自这些星系的光线需要数十亿年的时间才能穿过宇宙到达地球。Rieke估计和其同事将用NIRCam收集的图像可以显示出大爆炸后仅3亿年形成的原生星系--当时它们的年龄只有现在的2%。

寻找大爆炸后形成的第一批恒星的聚集地是一项艰巨的任务，原因很简单。这些原生星系非常遥远，所以看起来非常暗淡。

韦伯的镜子由18个独立的部分组成，能够收集到的光线是哈勃太空望远镜镜子的6倍以上。遥远的天体看起来也非常小，所以望远镜必须能够将光线尽可能地聚焦。望远镜还必须应付另一个复杂的问题。由于宇宙正在膨胀，科学家们将用韦伯望远镜研究的星系正在远离地球，而多普勒效应也开始发挥作用。就像救护车经过并开始远离你时，其鸣笛的音调会下移并变得更低，来自遥远星系的光的波长也会从可见光下移到红外光。

韦伯探测的是红外线--它本质上是一个巨大的热望远镜。为了在红外光中"看到"微弱的星系，望远镜需要特别冷，否则它看到的将是自己的红外辐射。这就是隔热罩的用处。隔热罩是由涂有铝的薄塑料制成的。它有五层厚，尺寸为46.5英尺（17.2米） 69.5英尺（21.2米），将使镜子和传感器保持在零下234摄氏度。

韦伯望远镜是一个令人难以置信的工程壮举，但如何将这样的东西安全地运到太空并保证它能正常工作？

测试和演练

詹姆斯·韦伯太空望远镜将在距离地球100万英里的轨道上运行--大约是国际空间站的4500倍，远得无法由宇航员提供服务。

在过去的12年里，该团队测试了望远镜和仪器，摇晃它们以模拟火箭发射，并再次测试。一切都经过冷却，并在轨道的极端工作条件下进行测试。

测试之后是演练。该望远镜将由通过无线电链路发送的指令进行远程控制。但是，由于望远镜将是如此遥远--一个信号需要6秒钟才能传到一个方向--所以没有实时控制。因此，在过去的三年里，Rieke的团队一直去巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，在一个模拟器上进行演练任务，涵盖了从发射到日常科学操作的一切。团队甚至还练习了处理潜在的问题，这些问题是测试组织者扔给他们的，被称之为"异常"。

需要进行一些调整

韦伯团队将继续测试和排练，直到12月的发射日期，但在韦伯被折叠并装入火箭后，团队的工作远未完成。

团队需要在发射后等待35天，让部件冷却后再开始对准。在镜子展开后，NIRCam将抓拍各个镜段的高分辨率图像序列。望远镜团队将分析这些图像，并告诉马达以亿分之一米为单位调整镜段。一旦马达将镜子移到位置上，他们将确认望远镜的对准是完美的。这项任务非常关键，所以将有两个相同的NIRCam--如果其中一个出现故障，另一个可以接管对准工作。

这个对准和检查过程应该需要六个月的时间。完成后，韦伯将开始收集数据。经过20年的工作，天文学家们即将有一个能够窥视宇宙中最遥远的地方的望远镜。

耗100亿巨资的詹姆斯韦伯太空望远镜，它是一个怎样的科学仪器？

没错，是100亿，不是100亿人民币，是100亿美元。美国宇航局刚刚为圣诞节准备了价值 100 亿美元的太空望远镜。12 月 25 日美国东部从位于法属圭亚那库鲁的欧洲航天港发射了一枚阿丽亚娜 5 号火箭，搭载着备受期待的、拖延已久的詹姆斯·韦伯太空望远镜——以及全世界无数天文学家、天体物理学家和行星科学家的希望和梦想——进入最后的前沿。如果一切按计划进行，这台巨大的望远镜将在未来 5 到 10 年内观察宇宙中的第一批恒星和星系，嗅探附近外行星的大气层，并执行各种其他高调、高影响的工作。

太空望远镜翱翔在库鲁上空的多云天空中，并与阿丽亚娜太空公司制造的火箭分离。当韦伯漂浮并展开其太阳能电池阵列的实时视图到达地球时，在发射控制处爆发出欢呼声。“这是一次独一无二的”任务，这是最先进的技术，如果成功，它将揭开宇宙的秘密，这将是惊人的，如果不是几乎压倒性的，关于我们是谁，我们如何到达这里的理解的巨大飞跃，我们是什么以及这一切是如何演变的。考虑到天文台的重要性和复杂性，在韦伯身上强调这一点似乎尤为必要。韦伯是“迄今为止，美国宇航局做过的最复杂的事情”。这可以说是美国有史以来最大的纯科学项目。

韦伯总是会成为一个惊人的大而复杂的机器。它雄心勃勃的观测目标也决定了这一点。例如，望远镜必须保持其科学仪器极冷；它们发出的任何显着热辐射都会淹没韦伯所追求的微弱红外信号。天文台的目标工作温度约为- 220 摄氏度，航天器将通过双管齐下的策略实现这一目标。其中一个插脚是一个五层遮阳板，每一层都有一个网球场的大小。另一个是位置：韦伯不是前往地球轨道，而是前往距离我们星球 150 万公里的引力稳定点，称为日地拉格朗日点 2 (L2)。

L2 这条轨道的特别之处在于，它让望远镜在绕太阳运动时与地球保持一致。这使得卫星的大遮阳板能够保护望远镜免受太阳和地球（和月球）的光和热的影响。L2 太远了，宇航员无法参观，所以韦伯将独自在那里；类似哈勃的维修任务不是这个巨大的新望远镜计划的一部分。完全展开的遮阳板和主镜都太宽，无法放入阿丽亚娜 5 或任何其他当前运行的火箭的有效载荷整流罩或保护性“鼻锥”内。因此，这两个元素今天都以紧凑的配置发射，并将在韦伯留在太空期间展开。

由 18 个六边形部分组成的镜子，每个部分都由铍制成，并涂有一层薄薄的金。结合起来，这 18 块在地球上仅重 625 kg，——比哈勃的单片主镜轻约 360 kg，后者的集光面积仅为六分之一。（詹姆斯·韦伯的总质量约为 6,500 kg，在地球上为 14,300 磅，略高于哈勃的一半。）这面镜子捕捉到的光子将由四种科学仪器进行分析——近红外相机 (NIRCam)、近红外光谱仪 (NIRSpec)、中红外仪器 (MIRI) 和精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪 (FGS/NIRISS)。这四重奏将使韦伯能够深入了解整个时间和空间。如果一切按计划进行，该望远镜将探测到比没有望远镜的夜空中最暗的恒星还要暗 100 亿倍的宇宙物体。

据介绍这比哈勃望远镜所能探测到的任何东西都要暗 10 到 100 倍。韦伯的视力将非常敏锐，以至于它可以从 40 公里外看到一分钱大小的细节。开发所有这些先进的科学和工程技术需要花费大量的时间和金钱。但更多的是确保一旦韦伯进入太空，它就会按计划工作。所以必须在发射过程中将所有东西都进行振动和声学测试，然后我们必须把它放在真空室中，并确保一切都在工作温度下在真空中工作。

韦伯从事这项工作已超过三年。1989 年 9 月，一群天文学家在巴尔的摩太空望远镜科学研究所会面，讨论哈勃太空望远镜的可能继任者，这让球第一次出现。 哈勃甚至还没有发射，但大型太空望远镜的规划和建造需要很长时间，因此天文学界倾向于提前一两年思考。在这种特殊情况下，人们强烈希望尽量减少哈勃和“下一代太空望远镜”（NGST）之间长期观测差距的可能性，后者被非正式地称为。

哈勃于 1990 年 4 月成功发射到地球轨道，但很快就发现问题非常严重：望远镜返回的第一批图像令人失望地模糊。这种意外的发展对 NGST 的规划产生了寒蝉效应。太空行走的宇航员在 1993 年 12 月做了这样的工作，安装了校正光学器件和替换仪器，以补偿哈勃望远镜 7.9 英尺宽（2.4 米）主镜的缺陷。修复允许 NGST 工作再次向前推进——但三年多的计划时间已经丢失，或者至少受到了影响。

到 1990 年代中期，人们一致认为 NGST 应该研究非常早期的宇宙。那时哈勃已经提供了对宇宙的观察，因为它距离大爆炸（发生在 138 亿年前）仅 10 亿年。但天文学界想要更深入地 探索 ——理想情况下，一直回到最初的恒星和星系的时代，它们很可能是在宇宙存在的最初几亿年内形成的。

这一总体目标意味着应该优化新的望远镜以检测和分析红外线，我们认为红外线是热量——这是与哈勃的主要区别，哈勃主要在光学和紫外线 (UV) 波长下观察。毕竟，第一批恒星和星系的光学和紫外线辐射已经被宇宙持续膨胀拉伸得如此之多，以至于我们现在可以在更长的红外波长下看到它们。红外光比其更高能量的对应物传播得更好，更容易穿透遍布宇宙的尘埃和气体云。

新的天文台也必须很大，才能收集足够的深空光子进行研究。最初的概念要求主镜的宽度至少为 13.2 英尺 (4 m)。但当时的 NASA 局长 Daniel Goldin 鼓励 NGST 团队想得更大，一个 26.4 英尺宽（8 m）的镜子很快成为计划的一部分。NGST 的基本设计在 1996 年就基本到位。大约在那个时候，研究人员估计这个强大的天文台将耗资约 10 亿美元并最早于 2007 年发射。我们现在可以看到，这些数字非常乐观。

到 2010 年，预期价格飙升至 50 亿美元左右，目标发射时间已推迟到 2014 年，尽管该天文台已略有缩小。人们越来越担心这个任务的胃口越来越大——它于 2002 年 9 月正式命名，以阿波罗时代的美国宇航局局长的名字命名詹姆斯·韦伯——最终可能会让其他 NASA 天体物理学项目挨饿，2010 年《自然》杂志上的一篇名为“吞噬天文学的望远镜”的故事捕捉到了这种感觉。