“四大天王”與“下一代空間望遠鏡”

安利

因任務一再延期而被稱為“鴿王”的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）終于有望在今年年底前發射了，如果成功，它將成為大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡的繼任者。從20世紀90年代初開始，美國國家航空航天局（NASA）根據其“大天文臺（Great Observatories）”計劃，在10余年時間內先后發射了4臺工作波段不同、均以著名科學家的名字命名的大型空間望遠鏡。同時由NASA領銜、10多個國家參與研發“下一代空間望遠鏡”（NGST），即后來的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。這太空中的“四大天王”及“下一代空間望遠鏡”都有什么特長呢？

1.哈勃空間望遠鏡（HST）

1990年發射升空的世界上第一臺空間望遠鏡被命名為哈勃，以紀念美國天文學家愛德溫·哈勃（1889——1953年）。哈勃是星系天文學的開創者，他發現了河外星系紅移與距離的關系，即哈勃定律，為宇宙大爆炸理論提供了有力的支持。哈勃空間望遠鏡最初設計目的是觀測可見光和紫外線，由于其運行高度在地球大氣層之上，因此獲得了地基望遠鏡所沒有的好處：影像不受大氣湍流擾動的影響，視寧度絕佳，且無大氣散射造成的背景光，紫外線更不會被大氣臭氧層吸收。后來經過改進，它又獲得了近紅外觀測能力。這一切令哈勃空間望遠鏡成為天文史上最成功和重要的一臺望遠鏡，為人類提供了最深入、最敏銳的宇宙圖景。

2.康普頓γ射線天文臺（CGRO）

利用空間技術能夠觀測到天體從長波段射電到短波段γ射線的各類輻射，其間包括紅外、可見光、紫外和X射線等，從而誕生了多波段天文學。γ射線的波長短于0.001納米，只有在大氣層外才能被探測到。鑒于天體的溫度越高輻射波長越短，γ射線（以及X射線）觀測主要用于認識高溫天體和宇宙中發生的高能物理過程。1991年升空的康普頓γ射線天文臺就是一臺專門用來觀測γ射線的空間望遠鏡，其命名是紀念美國物理學家康普頓（1892——1962年）。他所發現的康普頓效應，證實了光的粒子性，對光的波粒二象性的認識和量子理論的發展有重要意義，康普頓因此獲得1927年諾貝爾物理學獎。康普頓望遠鏡探測到來自宇宙四面八方的γ射線源，了解到黑洞是如何引發X射線和γ射線噴發的，并觀測到銀河系中央的反物質“噴泉”。遺憾的是，康普頓望遠鏡因故障而于2000年提前退役，沒能實現“四大天王”在太空的相聚。

3.錢德拉X射線天文臺（CXO）

1999年發射的錢德拉X射線天文臺被認為是X射線天文學上具有里程碑意義的空間望遠鏡。它以美籍印度物理學家錢德拉塞卡（1910——1995年）的名字命名。錢德拉塞卡因星體結構和進化的研究而獲得1983年諾貝爾物理學獎，他計算出白矮星的最高質量，即錢德拉塞卡極限。錢德拉X射線望遠鏡能捕捉光學望遠鏡無法觀測到的天體X射線輻射，是觀察黑洞、類星體、超新星等高能天體的太空利器。它運行在高地球軌道，最遠距離達到地月距離的1/3，這雖然可以避開地球輻射帶來的影響，大大提高觀測效率，但也意味著若發生任何故障，宇航員無法對其進行維修。好在發射20多年來，它一直正常工作，并取得大量成果。比如，參與了暗物質存在的直接證明，見證了超大質量黑洞的強力噴發，用來研究暗能量的影響，觀察引力波事件的結果……

4.斯皮策空間望遠鏡（SST）

空間望遠鏡的歷史可以追溯至1946年美國天體物理學家萊曼·斯皮策（1914——1997年）發表的《在地球之外天文觀測的優勢》。在這篇論文中，斯皮策提出開展空間天文觀測的前瞻性構想，他也因此被稱為“空間望遠鏡之父”。NASA“大天文臺”計劃的第四臺也是最后一臺空間望遠鏡就被命名為斯皮策空間望遠鏡。它于2003年發射升空，觀測的是紅外波段。紅外線的波長比可見光的波長更長，穿透力要強得多，可以直接穿透銀河系中的氣體和塵埃，幫助科學家研究銀河系的核心、太陽系外的行星以及恒星的形成。對于紅外望遠鏡來說，其內部工作溫度要接近絕對零度，才能取得良好的觀測效果。由于冷卻物質消耗殆盡，斯皮策空間望遠鏡于2020年退役。不過，它已經拍攝了高達3600萬張清晰的圖片，辨認出兩個迄今為止最遙遠的特大質量黑洞，目睹了小行星的碰撞。

5.詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）

哈勃空間望遠鏡的繼任者沒有延續以著名科學家命名的傳統，而是以NASA第二任局長詹姆斯·韋伯（1906——1992年）的名字命名。他在任期間（1961——1968年）堪稱NASA的“黃金時代”，不僅獲得的預算最多，而且阿波羅登月等諸多大型航天項目進展順利。然而，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的推進速度就沒有那么快了，發射時間多次推遲，造價也達100億美元以上，成為NASA史上最貴的單個航天任務。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡在紅外波段工作，6.5噸的質量約為哈勃空間望遠鏡的一半，主鏡口徑達到6.5米，為哈勃空間望遠鏡口徑的近3倍，集光能力是哈勃空間望遠鏡的5倍，在觀測遙遠星體時會比哈勃空間望遠鏡更加出色，能夠洞察更早期、更為深遠的宇宙奧秘。相比哈勃空間望遠鏡運行在500多千米的近地軌道，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的運行地點將為距離地球大約150萬千米的日地第二拉格朗日點，那里受到的地球輻射干擾更少。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的主要的任務是調查大爆炸理論的殘余紅外線證據（宇宙微波背景輻射），即觀測今天可見宇宙的初期狀態。它配備了高敏度紅外線傳感器、光譜器等。機體不僅要能承受極限低溫，還要屏蔽可能會成為干擾的光源，為此，它攜帶了可折疊的遮光板。