>首页> IT >

一窥天机:太空望远镜

时间:2022-03-21 09:44:51       来源:虎嗅网

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧,题图来自:视觉中国

2021年12月,原定于2007年发射的韦伯空间望远镜终于顺利升空,这是人类航天事业的大事情,无论谁干的,都值得祝贺。

不过,这年头天天都有大事发生,韦伯望远镜究竟算多大一事儿?

窥见宇宙

人类对宇宙的了解处于什么水平?这是个让人懵逼的问题,一方面,连太阳系九大行星都找不齐,向天王星、海王星发射轨道探测器都是没影儿的事,另一方面,对几十光年外的类地行星(类似地球的行星)却头头是道,超级地球、孪生地球、宜居行星的新闻不时见诸报端,到底哪个才是人类科技的真正水平?

要说清这个话题,得从人类探索宇宙的手段说起。

如果咱们能把探测器扔到别的星球上,那探测手段还是比较丰富的,次表层探测雷达、X射线谱仪、磁场探测仪,等等。可惜目前为止,人类探测器远没有飞出太阳系,出了土星轨道就算真正意义上的“人迹罕至”了。

所以,大前提就摆在这了:人类只能在太阳系里研究宇宙,更准确点说,人类主要在地球附近研究宇宙。

怎么研究呢?

只能被动接收来自宇宙的信息。

哪些信息呢?

电磁波、宇宙射线、引力波,其中大头是电磁波(包括可见光)。可以说,人类对宇宙的大部分认知,都是通过在地球上收集的各种各样电磁波,推算出来的。

没错,宇宙是算出来的。比如,观察一个恒星的颜色,或者说,在地球上收集这颗恒星发出的可见光,就可以算出它的表面温度,再加上恒星亮度,就可以算出它的年龄,再添一些参数,就可以算出它的距离。

还有更离奇的,开普勒空间望远镜,这哥们儿专门用来寻找类地行星。原理很简单,盯着一颗恒星看,如果这颗恒星的亮度会周期性变弱,那就说明有一颗行星定期从恒星前面飞过,阻挡了少量光线,就像苍蝇飞过探照灯,此曰:凌日现象。

据此可算出行星的公转周期、轨道、大小,甚至还可以通过光谱变化的特征,分析出行星大气的成分,比如苍蝇是火红色的,那么探测灯被遮挡时,多少能探测到一点红光。

如果这些算出来的参数和地球类似,就称为类地行星。所谓的类地行星,充其量就是见了个影子,至于上面是啥样,有没有生命,科学家知道的不会比算命先生好多少。

这么干靠谱吗?当然不算很靠谱,但也没有更好的办法了,人类感知宇宙的手段就这么多。不过,也不算很不靠谱,把这些手段做到极致,也能干出不少活。

宇宙博物馆

到了宇宙尺度,时间和空间其实是一回事。

如果你想了解4.2年前的宇宙,那就研究4.2光年外的比邻星,因为我们现在接收到的所有关于比邻星的信息,都是4.2年前发出的。同理,想了解1亿年前的宇宙,那就观察1亿光年外的恒星,对地球人来说,宇宙活脱脱就是一个博物馆,不同距离上的恒星,代表了不同时期的宇宙演化过程。望远镜看得越远,就意味着看得越古老,远到极致,就能看到宇宙初期的样子。

这里所谓的“看”,就是收集这些恒星发出的各种电磁波信号。长波信号可以穿透大气层,因此只需把天线放在地表即可,学名“射电望远镜”。短波信号容易被大气层干扰吸收,如红外线、可见光、X射线等,所以得把家伙什儿放到太空,学名“空间望远镜”。

其中可见光部分最为直观,也最为吃瓜群众津津乐道,毕竟这是咱们肉眼能看到的。这活干得最出色的,当属大名鼎鼎的哈勃空间望远镜。

哈勃与智利“特产”

因为大气层对光线的扰动,地面望远镜看太空就像个近视眼,一度导致人类的观测范围只有几十亿光年。1990年哈勃望远镜升空,就像人类伸出水面的一个潜望镜,终于可以一窥宇宙全貌。

现在很多耳熟能详的知识:宇宙年龄、宇宙大爆炸、宇宙大小,都有哈勃的功劳。这只以收集可见光为主的望远镜,极大拓展了人类视野,堪称天文学的里程碑。

哈勃不但有巨大的科研价值,其社会价值也不容小觑,拍摄的大量美轮美奂的深空照片,激发了无数普通人对宇宙的向往和思考,可谓功在千秋。

2019年哈勃望远镜公布了迄今为止最详细的宇宙照片,这张照片包含了26.5万个星系,每个亮点放大都可以看到星系全貌。

不过,因为继任者迟迟不到位,哈勃不断超期服役,已经在天上待了30多年,难免力不从心。尤其最近几年,面临和国际空间站一样的窘境——扔了吧,可惜,不扔吧,修修补补,维护费早赶上造价了。要知道,在天上干活,费用也是上了天的,一次维修的费用都足够在地面建一个大型望远镜了

继续烧钱给老态龙钟的哈勃续命是不现实的,哈勃退役几乎板上钉钉,这也意味着人类即将失去唯一的可见光空间望远镜。

那以后的日子是不是又得回到近视眼时代呐?

不用,因为自适应光学技术的出现。简单来说,这技术可以修正大气湍流等因素对光线的扰动,思路异常简单粗暴,你在哈哈镜里看到了扭曲的图像,那就再拿一个反向哈哈镜把图像还原。大气层就是一面哈哈镜,如何得到一个反向哈哈镜呢?

举个例子,首先打一束激光到天上,使大气里的钠元素发光,这个光线穿过大气层回到地面时,也会被扰动,把这个扰动量算出来,相当于测量出了哈哈镜的凹凸规则,以此调整望远镜的镜面形状,得到一个反向哈哈镜。因为扰动是不规则的,所以反向哈哈镜是一面凹凸不平的柔性镜面,又因为空气温度、湿度和气流实时变化,导致哈哈镜实时变化,所以柔性镜面也要跟着实时变化,甚至每秒得调整上千次的镜面形状。

不知道本僧有没有把事儿说明白,反正,这个过程令人叹为观止,你跟着叹就是了。

欧洲南方天文台位于智利的望远镜安装自适应光学系统后,拍摄的照片清晰度已经超过了哈勃。

既然如此,那就没必要非得把可见光望远镜放太空了。在地面干活,不但价格实惠,而且完全不用考虑重量和体积,镜头可以使劲造,日子美滋滋的。

早些年,口径8.1米的双子星天文台也算得上一号人物,两台望远镜分别位于夏威夷和智利,一南一北,加上地球自转,观察范围可以覆盖整个天区。但是很快,8米的门槛就被踏滥了,欧洲南方天文台在智利建造的甚大望远镜,由4台口径8.2米的望远镜组成,聚光能力相当于16米口径。日本国家天文台的昴星团望远镜把单面反射镜口径干到了8.3米。这还没完,即将投入运行的位于智利的美国大麦哲伦望远镜,由7块直径8.4米的子镜组成,等效口径大约有25米,成像清晰度达到哈勃的10倍。

单个镜子的口径到了8.4米已经差不多了,接下来就是更凶残的玩法:用一堆小镜子拼成大镜子。

由加拿大美国主导,包括中国在内多个国家参与的,位于夏威夷的,不断被环保组织阻挠建设的30米望远镜,主镜口径30米,清晰度吊打哈勃一个数量级。

预计2024年建成的位于智利的欧洲极大望远镜,主镜口径39米,清晰度比哈勃高16倍……

对望远镜来说,口径就是王道。对口径大小没概念的话,可以对比一下哈勃望远镜,2.4米。

等会儿,好像智利的出镜率有点高啊,这哥们儿天文学很强吗?说到智利特产,大伙可能想到的是樱桃,而本僧想到的却是……天文望远镜。

智利北部地区的气候和大气环境非常适合夜观天象,这里集中了全球一多半的顶级天文望远镜。值得一提的是,中国也在这儿建造自己的天文台,如果不算南极科考站的口径0.68米的巡天望远镜,这应该是咱们头一回在别的国家建造望远镜。

多嘴一句,前面提到的所有望远镜,加一起,还没哈勃贵。

所以这事儿没啥可说的了,相比如火如荼建设的地面望远镜,可见光空间望远镜几乎无人问津……除了中国。

中国空间站有个配套装置叫“巡天光学舱”,是一台口径2米的可见光望远镜,计划2024年发射,届时可能是人类硕果仅存的可见光空间望远镜。那么问题来了,人家都在地上搞了,咱为啥还要上天搞呢?

首先当然是因为太空望远镜仍然具有地面望远镜不具备的优势,比如,自由地指向任意方向观测,长时间对一个方向连续曝光,不会被人造卫星干扰,等等。其次,哈勃说到底就是太贵,而巡天望远镜和空间站共轨飞行,紧挨着,从空间站出去干活,成本就低太多了。

最有意思的是,巡天可以对地观测,是不是有点意外?这台天文望远镜,居然可以调转方向观察地面。

作为人类唯二的可见光空间望远镜,巡天免不了被拿来和哈勃做一番比较,其实吧,这话题和空间站一样,上天时间差了35年,有啥好比的呢?两者差异除了技术水平,很大程度是设计取舍导致的。另外,吃瓜群众们也别指望在这领域一举超越美帝,差距仍有肉眼可见那么大。

说了这么多,那么,韦伯上天究竟算多大一事儿?

通过对大气扰动的修正,可见光的事好歹算摆平了,但红外线、紫外线、X光就没那么容易打发了,因为这些家伙不是被大气层扰动,而且被大气层吸收了。任凭你在地面如何折腾,也不可能还原已经消失的信号。

所以,这活还得上太空。

韦伯:寻找宇宙的黎明

按照现有理论,宇宙一直在膨胀,且膨胀速度超过光速,这导致遥远天体的光谱红移非常明显,那儿发出的可见光,到了这儿可能就成了红外线。

这么一来,你想看得远,就得指望红外线。

哈勃在红外波段只能凑合用,看到134亿光年就顶天了,也就是宇宙大爆炸后4亿年的情形。但是根据最新的研究表明,宇宙的第一批恒星是在大爆炸后2亿~3亿年之间诞生的,这就是所谓的“宇宙的第一缕光”。

寻找这第一缕光,非红外望远镜莫属。

于是,韦伯来了。

咱们给的官方名字是“韦布空间望远镜”,但大伙已经习惯叫韦伯了。

这家伙之所以拖了14年才发射,是因为确实花了海量心血,充分体现了美帝在精密工业领域的深厚功底,几乎达到了人类工程学的极限。

比如,口径6.5米的主镜,表面粗糙度低于10纳米,另外,为了不浪费这种加工精度,与之配套的支架和控制系统精度可想而知。

这么复杂且庞大的架子,在太空展开后,误差不超过几十纳米。

温度越高,红外线就越强,所以作为一台红外线望远镜,制冷就成了头等大事,不然你自身发出的红外线就足够折腾了。

举个风马牛不相及的例子。

最近俄乌战争中名噪一时的美国标枪导弹,在使用热成像前,需要对红外成像器件进行持续制冷,美军标枪导弹使用手册显示,开机后必须要等2分半到3分半。而导弹配备的小型电池和制冷机只能坚持4分钟,也就是说,射击窗口最多只有1分30秒,如果在1分半内没有完成锁定和发射,射手就必须更换制冷机和电池。因此,只要侦察得当,步坦协同到位,标枪要对付坦克并不容易。

扯远了。无论天上地下,想和红外线打交道,首先自己得够冷。

很多人以为太空这么冷,制冷还不简单!其实刚好相反,因为太空没有空气可以散热,太阳一晒就滚烫,所以首先得隔绝阳光。韦伯带了5层又大又薄的遮阳帆,为了尽可能反射热量,这5层仅几十微米厚的薄帆也是费尽心机,可以保证背面温度在50K以内。

但这还不够冷,为此科学家专门开发了一种脉冲管低温冷却器,这玩意儿不但可以把红外传感器冷却到7K,还几乎没有振动。你想想,如果冷却器造成了几十纳米的晃动,那前期的精确加工就全白忙活了。

如果仅仅是这些,韦伯不至于拖14年,最麻烦的事还在后面。

地球本身就是一个很大的红外发射源,为了避免地球干扰,韦伯要离地球远远的。多远呢?在拉格朗日点。简单来说,在这个地方,太阳引力和地球引力相当,飞行器可以悬停在此,有点像地球同步轨道的意思。这种地方有5个,韦伯停在离地球150万公里的L2点。

相比来说,哈勃离地球只有590公里,其实哈勃上天后立马就出问题了,主镜偏差了千分之二毫米,拍的照片惨不忍睹,于是就把航天员送上去进行了第一次维修。

150万公里外的韦伯,是绝对不可能派人维修的。韦伯有多达344个故障点,没有多余备份,只要其中一个出问题,100亿美元就打水漂了。悲剧的是,地面测试时,这些故障点经常出问题,比如2018年薄薄的遮阳帆展开时就被撕裂了。在这种压力下,拖14年也就显得没那么离奇了。

总之,韦伯有大量令人发指的工程细节,科技含量无可挑剔,堪称人类精密工业的巅峰之作,担得起“史上最强望远镜”的称号。

组装完成后的韦伯

如此吊炸天,那它能看到宇宙的诞生吗?不能,红外线不是万能的,甚至电磁波也不够说明宇宙起源,这活至少要集合引力波、暗物质、中微子等一众骨干才能窥见一二。

韦伯空间望远镜工作在近红外和中红外波段,用于观测宇宙大爆炸初期第一批恒星和星系的形成。按照目前理论,宇宙年龄138亿年,哈勃已经看到了134亿年,而韦伯可以再多2亿年。

2022年3月11日,韦伯望远镜完成了最后一轮镜片微调,传回了第一张校准时拍摄的清晰照片,已经逐渐进入工作状态,预计夏天正式开启科学观测,为人类视野再添2亿光年。

还有一个题外话,韦伯不但是科技典范,也是坑钱典范,不但充分体现了美帝的科技实力,也充分体现了美帝的钓鱼手段。

韦伯最早的预算是5亿美元,不过很快就发现不够烧,第二年就加了5亿,不加不行啊,不然前面的5亿就打水漂了。过了两年,发现钱还是不够烧,再加8亿,不加不行啊,不然前面的10亿就打水漂了。又两年,再加7亿,不加不行啊。三年后,加5亿。过一年,再5亿。两年后,6亿……就这样一口一口,一直啃到了97亿,比哈勃还败家。

慧眼

前面说可见光时,还能看到咱们国家的身影,但在红外波段,似乎有点寒碜?

这其实不奇怪,我国是发展中国家,发射的卫星大多是有具体用途的,比如用来监测耕地是否被侵占的农业卫星,比如用来监测森林是否起火的红外卫星,等等,很少用于纯基础科学研究。本僧掐着指头数了数,好像只有2个半:一个是寻找暗物质的悟空号,一个是研究X射线的慧眼号,还有半个是用于验证量子通信技术的墨子号(不算严格意义上的纯基础科学)

其中,慧眼号就是一台空间望远镜,全称:硬X射线调制空间望远镜。

如果说红外线是研究恒星起源必不可少的,那么X射线就是研究恒星死亡必不可少的。X射线属于能量比较高的电磁波,通常来自比较剧烈的天体活动,比如恒星爆炸之类的,研究高能天体肯定少不了X射线,所以也算一个研究热点。

相比无人问津的可见光空间望远镜,X射线望远镜算得上络绎不绝。没办法,X射线经过大气层就没剩啥了,大家只能上天去干活,欧洲的XMM-牛顿卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星、德国的eROSITA X射线望远镜……

在各国众多的X射线望远镜中,慧眼妥妥算上乘了,是全世界灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜。这不算啥,作为慧眼的继任者,由中国领导的大型国际合作空间项目“增强型X射线时变与偏振空间天文台”预计2025年发射升空,到时候就是国际领先的旗舰级空间X射线天文台。

迄今为止最详尽的宇宙X射线图,包含了100万个X射线源,数据来自德国eROSITA X射线望远镜的首次巡天任务。

文明所及

最后,咱们为烧钱的天文学找一个硬核理由。

1974年,为庆祝阿雷西博射电望远镜改建完成,该望远镜向2.5万光年外的M13球状星团发射了一串含有人类文明的信息,这就是著名的“阿雷西博信息”。

如今这条信息已经跑了大约50光年。如果外星人科技再高一点,能探测到无比微小的无线电信号,那么1901年马可尼进行的横跨大西洋电报试验,就是人类发出的第一个无线电信号,如今这个信号已经跑了120光年。

这就是人类痕迹在宇宙中所到达的最远距离。

咱们侥幸一点,就按50光年算吧,目前在这个范围内发现的类地行星大约50颗左右。在这50颗星球上产生智慧生物,并且该生物具有攻击太阳系的能力和意图,概率实在微乎其微,所以地球人还不用担心。

于是,这条信息继续往前跑,在目的地M13球状星团的范围内,已经发现了五六千颗类地行星,算上还没发现的,少说几万颗起步,这回咱就不敢保证了。

再把基数扩大,据天文学家保守估算,银河系至少有60亿颗类地行星,你想想,地球何德何能成为60亿分之一?几乎可以肯定,银河系里一定还有其他智慧生物。

那么,在接下来的10万年里,可能会有智慧生物收到地球人的信息。以目前人类的科技水平,已经可以探测到50光年外的普通雷达信号,如果外星人比我们多发展个两三千年,接收一条几千光年外的电磁波岂不是小菜一碟?

这事儿,咱得未雨绸缪啊!

是寄希望于外星人大爷无私的帮助地球人?还是凭借旗鼓相当的科技水平友好交流互通有无?比如,你想看秦始皇登基的画面,那就找到2200多光年外的外星人,拍下“它们”现在的画面(对它们来说是两千多年前的画面),再通过虫洞和它们交换。

阿雷西博信息已经上路,地球人,留给你们的时间不多了。

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧

关键词: 宇宙起源 太空望远镜