18新利最新登入詹姆斯·韦伯太空望远镜是如何工作的

由:尼古拉斯gerbi曾经莎拉Gleim|
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这幅艺术构思图展示了詹姆斯·韦伯太空望远镜发射到18新利最新登入太空时的样子。NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

我们对宇宙是受我们感官范围的限制,但我们的思想不知道这样的限制。当篝火的光芒使我们看不见树林黑暗中树枝的来源时,我们会想象各种可怕的前景。但是,走出几步,在我们的背后点燃一把火,我们就能看得更深刻、更清楚。想象遇上信息,我们突然知道我们在处理18luck手机登录什么。

但是,要理解这些问题,光有一双好眼睛和离城市灯光一段距离是不够的宇宙;它需要能够扩展我们感官的仪器,超越我们的进化极限,超越我们的大气,甚至超越我们的行星轨道.天文学和宇宙学都受到这些仪器质量的制约。

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大约在400年前望远镜揭示了未知的卫星、行星和太阳黑子,引发了一系列新的宇宙理论和更好的测试工具,揭示了滚滚的星云和聚集的恒星。

在20世纪中期,射电望远镜显示,星系——远非静止的斑点——实际上是活跃的,充满了能量。18新利最新登入之前开普勒太空望远镜我们认为系外行星在宇宙中很罕见;现在我们怀疑它们的数量可能超过了恒星。绕地球飞行了30多年哈勃太空望远镜帮助穿透时间的面纱,拍摄恒星托儿所,并证明星系碰撞。现在,詹姆斯·韦伯太空望远镜正准备背对阳光,远离地球,只有在月球外寒冷、黑暗的空间才能进行敏锐、细致的观测。

被提名为2021年12月22日,发射日期韦伯位于法属圭亚那库鲁的欧洲太空港,由美国宇航局、欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)的国际合作建造,并负责回答一些问题非常雄心勃勃的问题。它还将使天文学家比以往任何时候都更接近时间的起源,让人们得以一瞥长期假设但从未见过的景象,从星系的诞生到第一批恒星发出的光。

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詹姆斯·韦伯望远镜的18段反射镜是专门为捕捉宇宙早期形成的第一批星系发出的红外光而设计的,并将帮助望远镜观测到恒星和行星系统仍在形成的尘埃云内部。
美国国家航空航天局

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任务:站在巨人的肩膀上

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这张照片显示了哈勃望远镜18新利最新登入拍摄的猴头星云的可见光和红外图像之间的差异。詹姆斯·韦伯望远镜将专注于红外成像。哈勃遗产团队(STScI/AURA)和J. Hester

韦伯的任务建立在并扩展了美国宇航局的大天文台在美国,有四台非凡的太空望远镜,它们的仪器覆盖了电磁波谱的海滨。这四个重叠的任务使科学家能够在可见光、伽马射线、x射线和红外光谱中观测到相同的天体。

校车大小的哈勃望远镜主要观测可见光谱,包括一些紫外线和近红外的覆盖范围,于1990年启动了该计划,并将进一步维修和韦伯一起工作.恰当地命名为埃德温·哈勃这位天文学家发现了许多被建造来调查的事件,望远镜从此成为最著名的望远镜之一最具生产力的工具在科学史上,它带来了恒星的诞生和死亡,星系的演化和黑洞从理论到观察到的事实。

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除哈勃外,还有康普顿伽马射线天文台(CGRO)、钱德拉x射线天文台和斯皮策太空望远镜。

  • CGRO,1991年推出现在已经退役,在30千电子伏特(keV)到30亿电子伏特(GeV)的光谱中探测到高能、剧烈的景象,包括活跃星系的能量喷射核。
  • 钱德拉该卫星于1999年部署,目前仍在地球轨道上运行海拔86,500英里(13.9万公里)的空间,监视器黑洞x射线光谱中的类星体和高温气体,并提供了关于宇宙诞生、成长和最终命运的重要数据。
  • 斯皮策它于2003年发射,在地球轨道上运行,用热红外(3-180微米)观测天空,这一带宽用于观测恒星诞生、星系中心和凉爽昏暗的恒星,以及探测太空中的分子。斯皮策最初的设计寿命至少为两年半,但斯皮策继续运行至2020年1月30日

韦伯望远镜的不同之处在于它有能力深入观察近红外和中红外,它将有四个科学仪器来捕捉天文物体的图像和光谱。为什么这很重要?正在形成的恒星和行星隐藏在灰尘后面它吸收了可见光。18新利最新登入然而,发射出的红外线可以穿透这层布满灰尘的毯子,揭示出后面的东西。科学家们希望这能让他们观测到宇宙中最早的恒星;新生星系的形成和碰撞;以及恒星和原行星系统的诞生,甚至可能是那些含有生命化学成分的系统。

这些第一批恒星可能是了解宇宙结构的关键。从理论上讲,它们形成的地点和方式与早期的模式有关18新利最新登入暗物质——看不见的神秘物质,通过它施加的引力可以探测到——它们的生命周期和死亡造成了影响第一个星系形成的反馈[来源:Bromm等人。].作为超大质量、寿命短的恒星,估计质量大约是我们太阳的30-300倍(亮度是太阳的数百万倍),这些初生恒星很可能在爆炸时爆炸超新星然后坍缩形成黑洞,随后膨胀并合并成占据大多数大质量星系中心的巨大黑洞。

见证这一切是迄今为止任何仪器或望远镜都无法比拟的壮举。

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参观詹姆斯·韦伯太空望远镜

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技术人员成功地对韦伯的五层遮阳板进行了关键测试,他们将每一层尺寸独特的遮阳板完全部署到距离地球100万英里远的太阳轨道上的相同位置。美国国家航空航天局/克里斯·甘恩

韦伯看起来有点像一个钻石形的筏子,它有一个厚而弯曲的桅杆和帆——如果帆是由咀嚼铍的巨大蜜蜂建造的的话。“木筏”(或的时候)由薄如头发丝的膜层组成聚酰亚胺薄膜这是一种涂有反光金属的高性能塑料。它们一起保护主反射器和仪器。

韦伯的“龙骨”就是你会想到的一体式托盘结构.这就是巨大的遮阳板折叠起来准备升空的地方。在中心位置是航天器总线,它包含了保持韦伯运行的所有支持功能,包括电力、姿态控制、通信、指挥和数据处理以及热控制。一个高增益天线装饰着韦伯的外部,还有一组与精细制导传感器一起工作的恒星跟踪器,以保持一切指向正确的方向。最后,在遮阳板的一端,垂直于它的是一个动量调整片,它可以抵消光子施加在船上的压力,就像帆船上的调整片一样。

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遮阳板上方是“帆”,或韦伯的巨大的镜子.韦伯有一个21.4英尺(6.5米)宽的主镜,用来测量来自遥远星系的光。(相比之下,哈勃太空望远镜的镜子只有7.8英尺(2.4米)。它由18个六角形铍部分组成,在发射后展开,然后协调起来就像一个巨大的主镜。这面镜子有一个更轻的设计,并允许整个结构折叠像一个垂叶桌子。镜子的六角形使结构大致呈圆形,没有缝隙。如果镜像片段是圆形的,那么它们之间就会有间隙。

让我们仔细看看使所有这些研究成为可能的仪器。

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詹姆斯·韦伯望远镜的镜子上覆盖着一层极薄的黄金层,这使它们能够反射红外光,而红外光是望远镜将观测到的主要波长。
美国国家航空航天局

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仪器:视觉之外的视觉

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韦伯的近红外相机具有1600万像素的马赛克光传感器。马赛克由四个独立的芯片安装在一起,并在芯片之间的间隙上覆盖一个黑色面具。肯尼斯·w·唐

尽管韦伯望远镜在一定程度上能看到可见光范围内(红光和金光),但它基本上是一个大型红外望远镜。

  • 它的主成像仪近红外摄影机(NIRCam),感官在0.6-5.0微米范围内(近红外)。这意味着它可以探测红外线从最早的恒星和星系诞生;对附近的星系进行普查;并发现物体在摆动柯伊伯带这是一大片环绕地球运行的冰冷天体海王星.它还将在需要时帮助纠正韦伯的望远镜视力。
  • NIRCam配备了一个日冕仪这将使相机能够通过阻挡明亮恒星的眩目光线来观察明亮恒星周围的缕缕光晕——这是发现系外行星的重要工具。
  • 近红外摄谱仪(NIRSpec)工作在与NIRCam相同的波长范围内。像其他光谱仪一样,它分析物体的物理特征,比如星星通过将它们的光分解成光谱,光谱的模式根据目标的温度、质量和化学组成而变化。NIRSpec将研究成千上万的古老星系,这些星系的辐射非常微弱,韦伯的巨大镜子需要对准它们数百小时才能收集足够的光来形成光谱。为了帮助完成这项任务,光谱仪有一个由62000个独立百叶窗组成的网格,每个百叶窗都能打开和关闭,以阻挡较亮恒星的光。多亏了这个微快门阵列,NIRSpec将成为第一台天基摄谱仪设计用来同时观察100个不同的物体。
  • 精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪(FGS-NIRISS)实际上是两个打包在一起的传感器,将帮助检查第一次光探测、系外行星探测和表征以及系外行星凌日光谱。FGS还将帮助望远镜指向不同的方向。
  • 最后的韦伯仪器将其范围从近红外扩展到中红外,便于挑选行星、彗星、小行星、星光加热的尘埃和原行星盘。照相机和摄谱仪都有,这个中红外仪器(MIRI)覆盖最宽的波长范围,从5-28微米。它的宽视场宽带相机将拍摄更多使哈勃出名的图像。

但红外观测对于了解宇宙至关重要。在恒星孕育中心,尘埃和气体可以阻挡恒星的可见光,但红外线可以穿透。此外,随着宇宙的膨胀和星系的分离,它们的光“伸展”并变成红移,滑向更长的电磁(EM)波长,如红外。星系离我们越远,它后退的速度就越快,发出的光也就越红移,这就是韦伯望远镜的价值所在。

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红外光谱还可以提供大量关于系外行星大气的信息,以及它们是否含有与生命有关的分子成分。18luck手机登录在地球上,我们称水蒸气、甲烷和二氧化碳为“温室气体”,因为它们能吸收热红外(即热量)。由于这种趋势在任何地方都适用,科学家们可以使用韦伯望远镜来探测遥远世界大气中的这类物质,方法是通过在它们的光谱读数中寻找能说明问题的吸收模式。

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韦伯可以回答的问题

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韦伯的任务是回答许多生命最大的谜团,比如地球上的生命是如何发展的;18新利最新登入18新利最新登入像这个被称为梅西耶81的星系是如何形成的;火星上曾经有生命吗?美国航天局/姓名/ ESA /哈佛-史密松天体物理CfA的

詹姆斯·韦伯太空望远镜是迄今为止建造的最大、最强大的太空望远镜。这将是发射到太空中最复杂的望远镜。它在执行任务期间提供的数据可能会改变我们对宇宙的理解。该任务预计将持续5到10年。

为什么?因为它的目标是研究宇宙历史的所有阶段,包括大爆炸。但韦伯望远镜在执行任务期间有四个不同的目标,它们被分组四个主题

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  1. 黑暗时代的终结:第一束光和再电离:韦伯将利用红外线能力“看到”大约1亿至2.5亿年后的地球大爆炸当第一批恒星和星系形成的时候。我们从微波COBE和WMAP卫星上获得了大爆炸发生38万年后的热信号证据。但我们仍然不知道宇宙的第一道光是什么样子,第一批恒星是什么时候形成的。韦伯可能会回答的一些问题包括:第一个星系是什么;再电离发生的时间和18新利最新登入方式;再电离的来源是什么?
  2. 星系集合:韦伯非凡的红外能力将使我们能够看到最微弱、最早的星系以及巨大的螺旋星系。这些能力将有助于回答关于星系的问题,比如它们是如何在数十亿年里进化和发展的;18新利最新登入黑洞和星系之间的关系是什么;化学元素18新利最新登入是如何分布的星系?
  3. 恒星和原行星系统的诞生与哈勃不同的是,韦伯将透过巨大的尘埃云看到恒星和行星系诞生的地方。这是因为韦伯看到了尘埃云内恒星发出的热量或红外光。哈勃无法做到这一点。希望它能帮助回答一些问题,比如气体云和尘埃云是如何坍缩的18新利最新登入形成恒星;为什么大多数恒星是成群形成的?行星系统18新利最新登入是如何形成的?
  4. 行星系统与生命起源除了研究太阳系外的行星,韦伯还将让科学家们更多地了解我们自己的家园,包括太阳系中的小天体:小行星、彗星和柯伊伯带天体。许多问题都可以得到解答,包括行星的组成部分是如何组成的;18新利最新登入18新利最新登入行星如何到达它们的最终轨道;18新利最新登入地球上的生命是如何发展的;火星上曾经有生命吗?

最初发表于2014年10月9日

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  • 比林斯,李。《空间科学:吞噬天文学的望远镜》大自然。卷》467。1028页。2010年10月27日。(2014年9月11日)http://www.nature.com/news/2010/101027/full/4671028a.html
  • Bromm, Volker等。《第一代恒星和星系的形成》大自然。卷》459。2009年5月7日(2014年9月19日)http://sdcc3.ucsd.edu/~ir118/SIO87W13/FirstStars.pdf
  • 美国国家航空航天局。“詹姆斯·韦伯太空望远镜。”(2021年9月23日)http://www.jwst.nasa.gov/
  • 美国国家航空航天局。“看一看美国宇航局哈勃太空望远镜进入25年的数字。”2014年5月12日。(2014年9月18日)http://www.nasa.gov/content/goddard/a-look-at-the-numbers-as-nasas-hubble-space-telescope-enters-its-25th-year/#.VBr4UfldV8E
  • Overbye,丹尼斯。“天空上有更多的眼睛。”《纽约时报》。2014年7月21日。(2104年9月11日)http://www.nytimes.com/2014/07/22/science/space/more-eyes-on-the-skies.html?_r=0
  • 空间望远镜科学研究所。詹姆斯·韦伯太空望远镜FGS -精细制导传感器(2014年9月11日)http://www.stsci.edu/jwst/instruments/fgs/
  • 空间望远镜科学研究所。詹姆斯·韦伯太空望远镜近红外成像仪和无缝隙摄谱仪(2014年9月11日)http://www.stsci.edu/jwst/instruments/niriss
  • 斯蒂亚维利,M.等人。《用JWST研究第一道光的策略》空间望远镜科学研究所。(2014年9月11日)http://www.stsci.edu/jwst/science/strategy-to-study-First-Light.pdf
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