【航天甲子年50讲】 10 空间望远镜



文:晟宇(视频讲解)

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前言


对空间的探索从对宇宙的认识开始,我们人类的脚步可以前往距离是有限的,然而我们获取宇宙信息的距离从某种意义上说是无限的。理想的认为我们应该可以从观测中获取整个宇宙所有的信息。


从伽利略,牛顿,人类利用望远镜系统展开了对宇宙越来越深的了解。60年前,随着人类拉开太空探索的序幕,望远镜也被送入太空,像哈勃这样的空间望远镜前所未有地极大开拓了人类对宇宙的认知。


那么我们今天就来聊聊我们为什么要把这些大家伙送入太空,又为什么要发射如此多的望远镜进入太空。




脑图


为什么要把望远镜送入太空


生命得以在地球上出现,人类能在地球表面存活,多亏了有大气层。大气层吸收了像X射线,紫外线等能量很高的空间辐射,使得我们免受伤害。然而也阻挡了我们去认识宇宙。





电磁波承载着宇宙的信息,电磁波波长不同受到的大气吸收就不同。


能够具备较高的透过率使得电磁波到达地面的波长范围称为大气窗口,能够到达地面的只有如下窗口:


1、0.3~1.155μm,包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外,即紫外、可见光、近红外波段
2、1.4~1.9μm,近红外窗口
3、2.0~2.5μm,近红外窗口
4、3.5~5.0μm,中红外窗口
5、8.0~14.0μm,热红外窗口
6、1.0~1.8mm,微波窗口
7、2.0~5.0mm,微波窗口
8、8.0~1000.0mm,微波窗口





地面的望远镜能够探测的就是从这些大气窗口透进来的来自宇宙的电磁波。概括起来主要就是光学窗口和微波窗口。然而我们可以看到还有很大的波长范围是地面无法探测到的,所以望远镜希望摆脱大气的影响,因此就要离开地面。到太空中看个通透。




除了大气窗口的问题以外,望远镜希望离开地面还有其他的原因,其中很重一个原因就是离开人类的自己的干扰。人类文明的发达带来了光明,也带来的光污染,严重影响到了天文观测。如今地面的望远镜都搬到了原理城市的高山,所以搬到更高的太空远离了这些影响当然更好。



为什么需要这么多空间天文望远镜?


如今已经有数量非常多的空间望远镜进入空间了,那么沃恩为什么需要这么多的空间望远镜呢?





其实原因也很简单,就是人类现在还无法造出一个覆盖全部波段,又能把不同波长的电磁波都探测的很清楚的超级无敌望远镜。






在工程上,针对不同波长的望远镜系统的设计也大不相同。每一种望远镜的设计要达到理想的观测能力都需要付出巨大的代价和高昂的成本。


所以就分开来造呗~ 因为不同波长的电磁波承载着不同的宇宙信息,所以每个波段我们都很感兴趣哦!






通过不同波长电磁波的探测,我们不但可以获取更加丰富的宇宙信息,我们p出来的图也更绚丽啊。






很多现象要在特定的波长范围上观测才能被发现,所以我们看到陆陆续续进入空间的望远镜它们的观测波段相互交叠就完整地覆盖了几乎全部电磁波波长范围,从而实现了全面探测,没有遗漏。


当然还有很多望远镜是也是由于他们观测的空间范围不同。有的空间望远镜主要是盯着一个地方看,有的空间望远镜不断地扫过天际搜寻每一个角落,完成巡天的观测,因此即便是相同的波长范围也存在需要多个望远镜的情况。



空间望远镜的能力


空间望远镜观测的是来自宇宙中的电磁波。那么我们以我们人眼来做类比大概可以从看得见,分得清两个角度来谈谈空间望远镜的能力。


看得见,意味着能看到多弱小的信号。我们知道无论是在哪个波长上的探测,都是依靠电磁波在探测器上被捕获产生电信号才被记录观测到。一般地探测器由于自身的限制(噪声等),需要被探测的信号能量超过一个门限才能被探测。那么反过来说如果这个门限是确定的,聚集的电磁波能量越多越容易被探测。


空间中的电磁波来源于遥远的宇宙,可以看作在自由空间中均匀分布,那么用越大的兜子就能兜住越多的能量,也就能探测到越弱小的信号。所以这个“兜子”要大,也就是望远镜的口径要大。





望远镜的口径越大,聚集的能量也就越多,探测能力也就越强。这也就是无论是地面,还是空间,人类都不断追求建造越来越大的望远镜。我们这些业余天文爱好者去买也是想着买那些大个头的望远镜,看着就很666。





即将完成研制的詹姆斯韦伯就比哈勃望远镜大了许多,也贵出了许多,进度也拖了许多,然而等上了天依然是人类的一个工程壮举。






还有一个重要的能力就是看得清楚的能力。这个能力用一个重要的指标来衡量就是角分辨率。衍射系统所成的不是像点,而是光斑,也叫爱里斑。那么如果两个斑点重叠在一起,我们就没办法把这两个斑点区分开来了。


我们可以想象夜里远处开来的汽车。在很远的地方我们是没办法分清楚两个车灯的,然而随着车子朝我们开过来,我们逐渐就看清楚了两个车灯。那是因为我们人眼的角分辨率也是有限的,因此无法区分远处的两个光点。这个极限就是瑞利判据。


那么这个光斑的大小和系统的口径成反比,也就口径越大,那么分辨的光斑也就越小,角分辨率也就越高。






瑞利判据 (Rayleigh Criterion)


最后做个总结,我们把越来越大的空间望远镜送入太空就是为了一方面避开大气,灯光的影响同时获取越来越高的探测能力,来取得更精细的宇宙信息。




重要空间望远镜巡礼


  • 哈勃望远镜


哈勃望远镜是可见光探测空间望远镜的代表,索然历经挫折,最终成功服役多年,取得了丰硕的成果。





哈勃望远镜工作在比较低的LEO轨道上,这也是在出现问题之后,宇航员还能乘坐航天飞机前往维修的原因。此一事故不但开创了空间维护的先河,也大大优化的NASA的工程管理。





这里再简单的说下空间望远镜的主要工作。首先就是成像,这是最为直观的结果。还有就是分光,获取波段细节上的特征,进行量化的分析。最后还有计时,来获得宇宙想象中时间上的特征。





例如哈勃拍摄下的美丽照片。不但是重要的科学成果,也俘获了千万爱好者,青少年向往宇宙的心。






  • 斯皮策望远镜


这是红外探测的典型代表,由于电子探测技术的发展,虽然比早先的设计精简了许多,探测能力非常强大,可以探测非常微弱的信号。





由于是红外探测,几台探测器都通过液氦和遮光板来保证他们工作在接近5K的温度下。





同时,斯皮策工作在一个不断原理地球的轨道上,躲在地球的后面减少太阳的影响。所以坏了也不可能维修。





  • 钱德拉望远镜


钱德拉望远镜是X射线探测的重要代表。X射线的能量很高,通过四组镜面对X射线进行汇聚。




同时钱德拉望远镜还具备X射线的成像能力。




参考文献:


  1. Telescopes: Portals of Discovery
  2. The Hubble Space Telescope NASA
  3. Chandra_datasheet
  4. Chandra X-ray Observatory NASA
  5. Martin C. Weisskopf.THE CHANDRA X-RAY OBSERVATORY
  6. Spitzer Space Telescope NASA
  7. Spitzer Space Telescope Handbook NASA


下一期,我们来聊聊正在发挥越来越大作用的微小卫星。



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[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何

【航天甲子年50讲】 06 空间环境

【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程

【航天甲子年50讲】 08 载人航天

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