100 亿美元 造 的 詹姆斯 · 韦伯 空间 望远镜 望 到底 能干 啥 ？ 宇宙 演化 和 外星 生命 就 看 它 了 (2) What can the $10 billion James Webb Space Telescope really do? Cosmic evolution and alien life depend on it (2)

那 麽 哈勃 的 主要 觀測 的 這個 光 的 波長

是 紫外 還有 可見光

就是 它 既 可以 看到 紫外線

也 可以 利用 可見光 來 拍攝 照片

同時 哈勃 也 可以 帶 一點 紅外線

也 可以 帶 一點 紅外線

它 也 能夠 觀察 一點點 的 紅外線

但 它 的 能力 是 比較 有限 的

就是 利用 這個 哈勃 望遠鏡

人們 拍攝 了 非常 多 的 照片

我們 在 網上 看到 那些 非常 震撼 的 照片

大部分 都 是 哈勃 拍攝 的

比如說 這張 照片 大家 都 見過 吧

這個 就是 蟹 狀 星雲

是 一顆 超新星 噴發 之後 留下 的 這個 殘骸

再 比如 這個 這個 鷹狀 星雲

再 比如說 這個 船 底座 星雲 等等 是 吧

所以 哈勃 拍攝 的 照片 非常 的 漂亮

而且 你 使用 這些 照片

你 也 不 需要 給 NASA 付費 是 吧

你 直接 下載 下來 用 就 可以 了

其實 哈勃 望遠鏡 發射 上去 之後 出 了 很多 的 問題

但 它 因為 離 地球 比較 近

所以 人們 總是 可以 派 宇航員 上去 維修

或者 是 更換 新 的 部件 是 吧

所以 哈勃 這 麽 多 年來 預算 也 一直 在 漲

最 開始 的 時候 設計 預算 只有 4 億

但 裏裏外外 現在 應該 已經 花 了 25 億美元 了

人們 預計 說 哈勃 望遠鏡 整個 的 一生 當中

可能 需要 花 60 億美元 是 吧

好 這個 是 我們 非常 重要 的 一個 哈勃 望遠鏡

但是 哈勃 望遠鏡 最大 的 問題

是 在於 它 在 紅外線 的 這個 領域

它 的 能力 比較 有限

所以 後來 人們 又 發射 了 一些

專門 用來 觀察 紅外線 的

比如說 比較 著名 的 就是 斯皮策 望遠鏡

斯皮策 空間 望遠鏡

這 一臺 望遠鏡

它 是 在 2003 年 的 時候 發射 升空 的

到 了 2020 年 在 人類 的 指令 之下

這個 望遠鏡 停止 了 工作

一共 是 花 了 8 億美元

這個 斯皮策 望遠鏡 有什 麽 特點 呢

第一個 它 不是 在 地球 軌道 上轉 的

它 是 在 地球 尾行 軌道 上轉 的

地球 尾行 什 麽 叫 地球 尾行 呢

就是說 地球 是 圍繞 太陽 轉的

那個 斯皮策 它 跟 著 地球 的 屁股 後面

跟 著 地球 也 圍繞 太陽 轉

但是 它 的 速度 稍微 慢 一點

所以 它 就 會 被 地球 越拉 越遠 越拉 越遠

這 叫做 地球 尾行 軌道

它 離 地球 比 較遠

它 的 口徑 有 多 大 呢

大約 是 0.85 米

它 沒有 這個 哈勃 那 麽 大 的 一個 口徑

為什 麽 我們 要 用 地球 尾行 軌道 呢

這個 主要 原因 還是 因為 它 希望 觀察 紅外線

但是 地球 就是 一個 巨大 的 紅外線 放射源

所以 離 地球 遠 一點 是 有 好處 的

可以 避免 地球 的 一個 幹擾

那 麽 它 的 主要 觀察 範圍

是 在 3 微米 到 180 微米

這個 範圍 內 的 這個 紅外線

0.8 微米 以下 才 是 可見光

那 你 現在 超過 了 這個 0.8 微米

所以 你 應該 是 一個 紅外線

我們 知道 地球 是 一個 紅外線 的 放射源

因為 地球 溫度 比較 高

那 除了 地球 以外

還有 兩個 地方 可以 放出 紅外線

來 幹擾 這個 望遠鏡

一個 是 太陽

太陽 可以 發出 很多 紅外線

另外 一個 就是 這個 望遠鏡 本身

它 也 有 溫度

只要 你 有 溫度 你 就 可以 發射 紅外線

所以 為 了 防止 這個 現象 怎 麽 辦 呢

他 想 了 一些 辦法

比如說 這個 望遠鏡 它 旁邊 有 一個 這個 遮陽 罩

有個 遮陽 罩 它 可以 遮住 太陽

太陽 在 這邊 是不是

我 就 用 這個 罩子 我 遮住 你

就 不讓 你 這個 太陽光 能夠 照到 我 這個 望遠鏡

所以 它 有 一個 這樣 的 一個 罩

除此之外 它 還有 一個 叫 液氦 的 冷卻系統

就是 它 裏邊 裝了 一些 液氦

它用 這個 液氦 來 冷卻 望遠鏡 自身

所以 一方面 來講

它 可以 避免 太陽 和 地球 的 紅外線 影響

另外 一方面 它 可以 冷卻 自身

通過 這種 方法

讓 自己 的 這個 紅外線 可以 很 好 的 工作

但 也 正 因為 如此 所以 它 的 壽命 是 比較 短 的

它 的 設計 壽命 其實 只有 兩年 半

後來 用 了 五年 之後 這個 液氦 終於 是 用 完 了

而且 還有 一個 很 麻煩 的 事

就是 因為 這個 望遠鏡 它 離 地球 越來越 遠

它 不是 落後 於 地球

所以 當它 想 和 地球 通訊 的 時候

它 必須 轉 一下 姿勢

它 一轉 姿勢 它 這個 遮陽 罩 就 不能 起 作用 了

所以 就 造成 了 它 想 跟 地球 通訊 的 時候

太陽光 就 總照 它 它 溫度 上升 得 很 厲害

所以 它 這些 個 紅外線 的 探測儀 就 都 不能 工作 了

終於 到 了 2020 年 的 時候

人類 就 命令 這個 望遠鏡 說 你 就 停止 工作

在 地球 軌道 上 你 就 飄 吧

再 過 五十多年 可能 地球 會扣 斯皮策 一圈

到 那個 時候 我們 不 知道

我們 會 不會 再 把 這個 望遠鏡 回收 回來

那 麽 這個 望遠鏡

也 觀察 到 了 很多 宇宙 中 的 這個 星體

比如 剛才 我們 說 的 這個 GN-z11

這個 宇宙 大 爆炸 四 億年 之後 形成 的 第一個 星系

就是 這個 斯皮策 發現 的

它 另外 還 發現 了 一個 星系 裏邊 有 一些 行星

跟 地球 的 環境 很 類似

那 麽 為 了 接替 它們 的 工作

人們 就 又 設計 了 一個 新 的 望遠鏡

那 也 就是 我們 現在 所談 的

這個 詹姆斯 · 韋伯 空間 望遠鏡 了

韋伯 空間 望遠鏡

是 以 NASA 第二任 局長 詹姆斯 · 韋伯 的 名字 命名 的

在 詹姆斯 韋伯 在 任 的 時候 搞 了 很多 大 項目

比如說 阿波羅 登月 計劃

就是 他 那個 時候 完成 的

這個 人長 得 有點像 這個

《 黑衣人 》 裏邊 那個 K 探員 年輕 的 時候 的 樣子

最初 這個 韋伯 是 設計 2007 年 的 時候 發射

然後 預算 是 五 億美元

結果 就 一拖再拖

拖到 了 2021 年 年底 的 時候

才 真正 地 發射 升空

而且 預算 也 上升 到 96 億美元

接近 100 億美元

就 為 了 讓 這個 望遠鏡 上天

很多 NASA 的 其他 項目 都 被 砍掉 了

所以 也 有人 說 這個

韋伯 望遠鏡 是 吃掉 天文學 的 望遠鏡

那 我們 先 來看 一看 這個 韋伯 長 什 麽 樣 吧

大概 是 這個 樣子 吧 簡單 畫了 一下

我們 來說 說 它 各 部分 結構 是 什 麽

比如說 最大 的 這個

像 網球場 那 麽 大面積 的 一個

這是 遮陽 帆

就是 它 用來 遮擋 太陽光 的

為什 麽 要 遮擋 太陽光 呢

還是 那句話 它 為 了 讓 自己 的 溫度 降下來

然後 比較 大 的 黃金 的 這個 是 主鏡 主鏡

然後 用 支架 支 出來 一個

這個 是 二級 鏡 其實 還有 三級 鏡

然後 把 這些 光線 收集 起來 之後

進入 到 這 一大堆 裝置 裏邊

這 一大堆 裝置 就是 那些 光學 器材

什 麽 相機 光譜儀

這些 都 裝在 這個 裏面 是 吧

在 主鏡 底下 的 這個 大 盒子 裏邊

有 這個 動力 和 控 製 裝置

它 可以 讓 這個 望遠鏡 朝 特定 的 方向 飛

或者 控 製 它 的 姿態

這個 小 的 就 天線 這個 天線

這個 橫著 的 這個 板子 是 太陽能 板 是 電池板

太陽能 電池板 是 吧

所以 這個 韋伯 剛 升空 的 時候

它 其實 是 蜷縮 在 這個 火箭 裏邊 的

然後 一點一點 地 展開

比如 剛 升空 半個 小時

它 這個 太陽能 板 和 天線 就 會 伸 出來

然後 再過 了 幾天 之後

它 這個 遮陽 帆 開始 往外 打開

然後 一點一點 打開

打開 大概 一周 的 時間 才能 完全 地 舒展 開

舒展 開 了 之後 它 這個 二級 鏡 也 會 伸 出來

然後 主鏡 上面 就 開始 進行 對焦 調節

這個 調節 過程 可能 需要 持續 6 個 月 的 時間

那好 我們 具體來說 一說

韋伯 都 用 了 哪些 高科技

它 裏邊 的 科技含量 特別 高

我們 只能 撿 幾個 比較 典型 的 說 一下

第一個 就是 它 的 製冷 方式

我們 剛才 說過 了 要 想 觀察 到 宇宙 早期 的 情景

必須 觀察 紅外線 對 吧

而 紅外線 還有 一個 好處

就是 它 可以 穿透 這個 比較 薄 的 星際 物質

所以 有 的 時候 我們 用 可見光

去 觀察 一個 宇宙 的 圖案

就 沒有 用 這個 紅外線 去 觀察 更 清楚

你 用 紅外線 去 拍

你 就 可以 拍 到 這些 星際 物質 背後 的 這些 恒星 了

那 我們 要 想 用 紅外線 的話

就 得 避開 熱源 就 得 製冷

要 溫度 很 低 才 行

怎 麽 樣 製冷 呢

它 是 主動 和 被動 相結合 的

咱們 先說 它 的 被動 製冷

它 首先 飛到 了 一個 遠離 地球 的 位置 上

也 就是 日地 第二 拉格朗 日點

什 麽 叫 日 地 第二 拉格朗 日點 呢

這是 太陽

地球 圍繞 太陽 轉

這個 時候 我們 在 太陽 和 地球 的 連線

大約 150 萬公 裏 的 地方

就是 大約 在 150 萬公 裏 的 地方

會 有 那 麽 一個點

如果 你 在 這個 點上 放 一顆 衛星 的話

那 麽 這 顆衛星 會 跟 著 太陽 和 地球 一起 轉圈

地球 轉 一圈 它 也轉 一圈 一圈 是 吧

這個 就 叫 第二 拉格朗 日點

那 麽 另外 還有 四個 拉格朗 日點

這個 問題 以前 我們 是 講過 的

你 可以 對比 一下

哈勃 望遠鏡

它 其實 是 在 地面 以上 570 公 裏 的 地方

而 這個 韋伯 望遠鏡

是 離 地球 150 萬公 裏 的 地方

差別 很大 是 吧

另外 它 也 不是 嚴格 的

在 這個 第二 拉格朗 日點 的 位置

而是 它 繞 著 它轉

繞著 這個 第二 拉格朗 日點 在 這 轉圈 在 這 轉圈

一圈 一圈 的 這 麽 轉圈

這樣 可以 消耗 最少 的 燃料

然後 跟 著 地球 一起 走

因為 它 離 地球 比 較遠

所以 受 地球 上 的 熱源 的 影響 就 會 比較 弱 是 吧

這是 第一個

第二個 就是 它 有 一個 巨大 無比 的 遮陽傘

一個 遮陽傘

這個 遮陽傘 一共 有 五層

每 一層 都 有 網球場 那 麽 大 的 面積

而且 都 非常 非常 薄 是 吧

厚度 大概 只有 一個 人 的 頭發絲 那 麽 細

然後 表面 上 帶有 一層 金屬 鋁 或者 摻雜 的 一些 矽

那 麽 它 有 什 麽 好處 呢

就是 它用 這個 遮陽傘 很多 層 的 這個 遮陽傘

它 可以 阻擋 陽光 地 輻射

因為 陽光 對 這個 望遠鏡 還是 有 影響 的

這個 陽光 過來 了 之後

它 就 會 被 反射 回去

那 麽 如果 有 一些 透過去 怎 麽 樣 呢

它 就 會 在 兩層 之間 輻射 出去 是 吧

再 透過去 的 它 又 會 這樣 反 復 地 輻射

所以 最終 能夠 真正 的 透過去 的 量

是 非常 非常少 的 是 吧

比如說 兩 千瓦 的 陽光 照上去

那 透過去 可能 只有 零點 零幾瓦 是 吧

如果 換算 成 防曬霜 的話

它 這個 防曬 指數 大約 有 100 萬之多

所以 在 朝著 陽光 這 一面

因為 輻射 可以 達到 80 攝氏度 左右

但是 在 這個 太陽 的 遮光 傘 背後

它 可以 達到 零下 230 攝氏度 的 低溫

這樣 一方面 來講 可以 隔絕 太陽 的 紅外線

另外 一方面 也 可以 使 這個 儀器 不至於 升溫 過快

當然 這裏 面它 有 一些 遠紅外 的 儀器

這個 遠紅外 的 儀器 還 需要 更 低 的 溫度

怎 麽 做到 呢

它 有 一個 主動 的 降溫 的 方式

就是 所謂 的 脈 沖 管

這個 脈 沖 管 是 什 麽 意思 呢

我們 都 知道

我們 用 的 冰箱 實際上 是 用 壓縮機 工作 的

就是說

我們 把 這個 氟利昂 什 麽 的 把 它 壓縮

它 就 會 放熱 對 吧

我 不 壓縮 它 它 就 會 這個 吸熱

所以 這樣 反 復吸 放熱 我 就 可以 製造 冰箱 了

這個 脈 沖 管 的 原理 是 類似 的

只不過 它 不是 用 這種 機械 的 方式 壓縮 什 麽 的

它 是 用 聲音 聲音 其實 也 會 形成 駐波

而 這個 駐波 也 是 有 的 地方 可以 壓縮 液體

有 的 地方 可以 釋放 液體

所以 它 就 可以 形成 一種 冰箱 的 效果

通過 這樣 的 做法 可以 使 它 這裏 邊的

有 一部分 的 相機 溫度 達到 7K 左右

也 就是 零下 260 多度 是 吧