开普勒太空望远镜发现并证实了3000颗系外行星

人类进入工业革命时代后,科技水平突飞猛进,对宇宙的认识也迅速提高。过去曾是黑暗幽深的宇宙,在科学家眼里已变成喧嚣的世界,充满了各种电磁波、高能粒子和引力波等。为寻找记录在这些电磁波和高能粒子中的宇宙演化轨迹,人们发明了各种各样的观测工具和手段。

地球表面看宇宙:大气层阻隔,干扰多。

光学天文望远镜是近三百年来发展起来的各种观测工具和手段中,最为著名的一种。特别是伽利略改造后的第一台天文望远镜,使人类第一次看到地球附近的天体。这款望远镜瞄准的是人类肉眼最熟悉的可见光频带。

在观测地表电磁波时,频谱窗透明,而真正有效观测的窗口非常小(图源:公共版权+本文注释)

不过,科学家们很快就意识到在地表观察宇宙中的电磁波和高能粒子是一件困难的事情。大气层、电离层、臭氧层和地磁场等地球物质的“组合”,阻止了宇宙中大部分高能粒子和电磁波到达地面,使人“盲”“聋”,只在可见光和无线电波附近留下极窄的光谱窗口,让人可以观察宇宙。

所以人类建造的望远镜基本上只能集中在光学和射电两个领域,典型的就是我们国家的郭守敬望远镜和FAST“天眼”,前者观测的是370-900纳米波长的电磁波,主要是可见光,而后者则是10厘米-4.3米波长的无线电波。对其它频带的电磁波,常常没有有效的观测方法。

但是,即使是在这种情况下,光学和射电望远镜的观测也有许多不足。天气状况、大气流动引起的“眨眼效应”和折射等现象,对可见光频带的观测有很大影响。城市化带来的光污染,即使是大量人造地球卫星反射光所造成的污染,近年来也成了天文学家的“梦魇”。而且对观测窗口相对较大的无线电波频段,日益广泛和强烈的移动通信、电视广播等也产生了极大的干扰,为了保证射电望远镜的正常观测,经常还需要在附近建立一个巨大的“安静”区域。

近几年来让天文学家头痛的事情之一是越来越多的低轨道卫星星座,这是一张被CTIO望远镜干扰的星链卫星照片。图表显示了2019年11月的情况,那时星链刚刚进入测试阶段,未来全面建成后将会有数万个星链,巨大的影响不容忽视(图源:CTIO)

因此,许多天文学家很早就有了把望远镜从大气中移到太空的想法。但是,直到二战结束,人类才开始真正以德国V2火箭技术为基础,进行太空探索和开发。著名天文学家莱曼.施皮茨在1946年的论文中详细讨论了太空望远镜的优点。从1960年代开始,美国宇航局(NASA)和苏联空间计划(NASA)进行了一系列太空望远镜实验,如1962-1972年间美国太阳轨道天文台系列任务,1965-1968年间苏联质子宇宙射线和粒子探测系列卫星,1973-1979年美国天空实验室空间站还携带了一架巨型阿波罗太空望远镜。这些都证实了太空望远镜在观测太阳和更广阔的宇宙方面的巨大潜力,为人类开启太空望远镜时代奠定了坚实的基础。

人造卫星的主要任务及相应的电磁波观测频段(图源:公共版权+本文注释)

太空望远镜:空间和天文相结合的极致。

以前的太空望远镜主要用于研究地球上高频电磁波和高能粒子,特别是伽马射线、X射线、紫外线和高能粒子的观测问题。高频率的电磁波和高能量的粒子常常代表宇宙中最强烈的天文现象,比如伽马射线暴反映的现象有:大质量恒星塌缩成黑洞,中子星合并,超新星爆发等等。康普顿、雨燕、钱德拉、费米等太空望远镜的出现极大地促进了相关天文学研究的发展,这一领域也产生了世界上最多的太空望远镜。时至今日也是如此,在这些卫星中,我国最近发射的“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星和“悟空”暗物质(高能粒子)探测卫星为这一领域作出了巨大贡献。

Harber空间望远镜的飞行全景(图源:NASA)

就可见光观测而言,哈勃太空望远镜是所有太空望远镜的“巨星”。它从1990年问世以来已为人类服务了30多年,极大地改变了人类天文学的发展历程,数万幅经典照片也成为众多公众喜爱和关注天文学的一个契机。

其成功,正是人类航天技术与太空望远镜技术完美结合的最好例证。军方对光学侦察卫星(如日冕、锁眼)的需求和投入,促成了一套完整的高端产业链,如珀金埃尔默、柯达、康宁等知名公司可以联合生产大尺寸、高分辨率、多观测频段、超低膨胀、低质量的镜片;另一方面,航天飞机项目在20世纪70年代后期已逐步形成,它拥有超大尺寸的机舱(直径18.3米,直径4.6米)和约24吨的近地轨道载重,自身机动能力极强,可以执行多种近地轨道任务。在人类历史上,它是载人航天历史上载人最少的航天器,使载人设计的空间大大提高,更适合发射高精度太空望远镜。不仅仅如此,航天飞机是人类史上唯一可以进行大规模太空维修的飞行器。回首过去,我们更加确信,正是航天飞机的这种能力多次拯救了哈勃太空望远镜。

NASA共为哈勃太空望远镜执行了6次航天飞机任务,花费了巨大的代价。

作为一台主镜直径2.4米,具有宽广视野和行星照相机、高解析度摄谱仪、高速光度计、暗天体照相机和暗天体摄谱仪等核心设备的庞然大物,哈勃太空望远镜最初的设计目标是这样的。其长度13.2米,直径4.2米,总重11.1吨,在近地面轨道上运行,倾角28.5度。但是,在它被发射升空之后,科学家才发现珀金帕尔默制造的巨大主镜有问题,边缘有2.2微米的误差。尽管这只是镜头直径的百万分之一,但对哈勃来说,它必须观察到数不清的外星物体,这是完全不可接受的。最终,科学家们选择使用航天飞机在太空直接进行维护,把“眼镜”戴到近视眼的哈勃太空望远镜(COSTAR)上(太空望远镜光轴补偿校正系统)。后来,航天飞机多次对哈勃进行维护和更新,几乎在太空中重新建造,也使它能够工作到现在,一再攀登人类天文学研究的顶峰。现在,我们的国家计划发射类似哈勃的巡天望远镜,在天宫空间站进行长时间共轨飞行。

利用凌星技术探测太阳系外行星,并根据亮度变化判断行星的出现(图片来自NASA)

可见光与红外线观测:洞察人类未来。

对地球以外的生命,特别是对系外行星,可见光观测也是人类探索其存在可能性的重要手段。典型的例子是开普勒空间望远镜。该研究主要基于凌星法,即行星被挡在恒星前方时,导致恒星亮度略有下降,如果连续观测三次凌星,就可以确定其为颗凌星行星,从而获得其轨道周期、大小等信息。开普勒望远镜发现并证实了将近3000颗系外行星,占到人类迄今发现总数的70%以上,甚至包括类似于太阳系(与太阳系相似,拥有八大行星)的开普勒-90星系。不难想象,开普勒太空望远镜已经用自己的力量改变了这个领域的发展。《凌星法》对光学观测的精度要求很高,如开普勒太空望远镜,其观测精度可达令人惊叹的0.01%,这是大型地面光学望远镜难以达到的目标。

红外、微波观测,也是近年来空间望远镜研究的热点方向。对宇宙微波背景辐射和红外背景辐射进行耳熟能详的研究,离不开斯皮茨、赫歇尔、威尔金森和普朗克等著名太空望远镜的观测资料。这一领域还将出现人类历史上最昂贵的太空望远镜——JamesWeeb望远镜。该望远镜主要用于观察波长在0.6-28.3微米之间的红外频段,它的预算现在已接近100亿美元!的确如此,它的价值不言而喻,并且在惊人的资金投入的支持下,它使用了目前人类空间望远镜和空间领域中最先进的技术。

詹姆斯.韦布看起来就像是一艘太空中的大战舰(图片来源:NASA)

JamesWebe的镜面设计要求是6.5米口径,这超出了火箭发射的尺寸限制。所以,科学家选择的方案是加工成18个相同形状的六边形,折叠起来,然后在进入太空后展开。因此镜头必须采用刚性强、热稳定性好、导热性强、密度低的碱土金属铍制造,抛光精度更是要求达到10纳米级!这个值等于几十个铍原子共同排列的宽度。这也需要携带一把5层的“太阳伞”来隔绝热量,每一层的面积大约是300平米,但是厚度只有25微米或50微米,这个厚度比人的头发直径还要小。

镜面和遮阳板首先要叠起来,“塞”进火箭,然后被送到距地球150万千米远的日地拉格朗日L2点,最后按要求展开。因为航天飞机早已完全退出了历史舞台,詹姆斯·韦布太空望远镜基本上不可能进行太空维修。有鉴于此,欧空局Alian5火箭的压力可想而知,它将在2021年11月执行发射任务。毋庸置疑,在顺利发射、展开之后,人类对宇宙的认识将进入一个新阶段。

她拥有大约33万分之一的质量,距离太阳大约1.5亿千米,并且光只需要8分钟就能到达地球,是所有人类的摇篮。目前人类所观察到的宇宙半径,已达465亿光年,这是光用465亿年所走过的旅程。因为宇宙的膨胀,它比宇宙的138亿年的寿命还要长。尽管,地球只是太阳系中不起眼的蓝点,而整个太阳系却是宇宙中极其渺小的。但正如齐奥尔科夫斯基对地球摇篮的下一句话所说的那样,“人类不可能永远生活在摇篮里”,我们需要将目光投向宇宙的深处,我们需要将目光投向更远的地方,并最终走向星辰大海。空间望远镜,就是人类看向远方的眼睛,它为我们指明了前进的方向。

制作单位:中国科普。

生产工艺:空间精酿。

主管单位:中国科学院网络信息中心。

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