“四大天王”与“下一代空间望远镜”

安利

因任务一再延期而被称为“鸽王”的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）终于有望在今年年底前发射了，如果成功，它将成为大名鼎鼎的哈勃空间望远镜的继任者。从20世纪90年代初开始，美国国家航空航天局（NASA）根据其“大天文台（Great Observatories）”计划，在10余年时间内先后发射了4台工作波段不同、均以著名科学家的名字命名的大型空间望远镜。同时由NASA领衔、10多个国家参与研发“下一代空间望远镜”（NGST），即后来的詹姆斯·韦伯空间望远镜。这太空中的“四大天王”及“下一代空间望远镜”都有什么特长呢？

1.哈勃空間望远镜（HST）

1990年发射升空的世界上第一台空间望远镜被命名为哈勃，以纪念美国天文学家爱德温·哈勃（1889——1953年）。哈勃是星系天文学的开创者，他发现了河外星系红移与距离的关系，即哈勃定律，为宇宙大爆炸理论提供了有力的支持。哈勃空间望远镜最初设计目的是观测可见光和紫外线，由于其运行高度在地球大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处：影像不受大气湍流扰动的影响，视宁度绝佳，且无大气散射造成的背景光，紫外线更不会被大气臭氧层吸收。后来经过改进，它又获得了近红外观测能力。这一切令哈勃空间望远镜成为天文史上最成功和重要的一台望远镜，为人类提供了最深入、最敏锐的宇宙图景。

2.康普顿γ射线天文台（CGRO）

利用空间技术能够观测到天体从长波段射电到短波段γ射线的各类辐射，其间包括红外、可见光、紫外和X射线等，从而诞生了多波段天文学。γ射线的波长短于0.001纳米，只有在大气层外才能被探测到。鉴于天体的温度越高辐射波长越短，γ射线（以及X射线）观测主要用于认识高温天体和宇宙中发生的高能物理过程。1991年升空的康普顿γ射线天文台就是一台专门用来观测γ射线的空间望远镜，其命名是纪念美国物理学家康普顿（1892——1962年）。他所发现的康普顿效应，证实了光的粒子性，对光的波粒二象性的认识和量子理论的发展有重要意义，康普顿因此获得1927年诺贝尔物理学奖。康普顿望远镜探测到来自宇宙四面八方的γ射线源，了解到黑洞是如何引发X射线和γ射线喷发的，并观测到银河系中央的反物质“喷泉”。遗憾的是，康普顿望远镜因故障而于2000年提前退役，没能实现“四大天王”在太空的相聚。

3.钱德拉X射线天文台（CXO）

1999年发射的钱德拉X射线天文台被认为是X射线天文学上具有里程碑意义的空间望远镜。它以美籍印度物理学家钱德拉塞卡（1910——1995年）的名字命名。钱德拉塞卡因星体结构和进化的研究而获得1983年诺贝尔物理学奖，他计算出白矮星的最高质量，即钱德拉塞卡极限。钱德拉X射线望远镜能捕捉光学望远镜无法观测到的天体X射线辐射，是观察黑洞、类星体、超新星等高能天体的太空利器。它运行在高地球轨道，最远距离达到地月距离的1/3，这虽然可以避开地球辐射带来的影响，大大提高观测效率，但也意味着若发生任何故障，宇航员无法对其进行维修。好在发射20多年来，它一直正常工作，并取得大量成果。比如，参与了暗物质存在的直接证明，见证了超大质量黑洞的强力喷发，用来研究暗能量的影响，观察引力波事件的结果……

4.斯皮策空间望远镜（SST）

空间望远镜的历史可以追溯至1946年美国天体物理学家莱曼·斯皮策（1914——1997年）发表的《在地球之外天文观测的优势》。在这篇论文中，斯皮策提出开展空间天文观测的前瞻性构想，他也因此被称为“空间望远镜之父”。NASA“大天文台”计划的第四台也是最后一台空间望远镜就被命名为斯皮策空间望远镜。它于2003年发射升空，观测的是红外波段。红外线的波长比可见光的波长更长，穿透力要强得多，可以直接穿透银河系中的气体和尘埃，帮助科学家研究银河系的核心、太阳系外的行星以及恒星的形成。对于红外望远镜来说，其内部工作温度要接近绝对零度，才能取得良好的观测效果。由于冷却物质消耗殆尽，斯皮策空间望远镜于2020年退役。不过，它已经拍摄了高达3600万张清晰的图片，辨认出两个迄今为止最遥远的特大质量黑洞，目睹了小行星的碰撞。

5.詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）

哈勃空间望远镜的继任者没有延续以著名科学家命名的传统，而是以NASA第二任局长詹姆斯·韦伯（1906——1992年）的名字命名。他在任期间（1961——1968年）堪称NASA的“黄金时代”，不仅获得的预算最多，而且阿波罗登月等诸多大型航天项目进展顺利。然而，詹姆斯·韦伯空间望远镜的推进速度就没有那么快了，发射时间多次推迟，造价也达100亿美元以上，成为NASA史上最贵的单个航天任务。詹姆斯·韦伯空间望远镜在红外波段工作，6.5吨的质量约为哈勃空间望远镜的一半，主镜口径达到6.5米，为哈勃空间望远镜口径的近3倍，集光能力是哈勃空间望远镜的5倍，在观测遥远星体时会比哈勃空间望远镜更加出色，能够洞察更早期、更为深远的宇宙奥秘。相比哈勃空间望远镜运行在500多千米的近地轨道，詹姆斯·韦伯空间望远镜的运行地点将为距离地球大约150万千米的日地第二拉格朗日点，那里受到的地球辐射干扰更少。詹姆斯·韦伯空间望远镜的主要的任务是调查大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射），即观测今天可见宇宙的初期状态。它配备了高敏度红外线传感器、光谱器等。机体不仅要能承受极限低温，还要屏蔽可能会成为干扰的光源，为此，它携带了可折叠的遮光板。