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八大观测神器,中国占几个?

地球知识局 地球知识局 2024-01-14

(⊙_⊙)

每天一篇全球人文与地理

微信公众号:地球知识局


NO.2579-观测宇宙神器


文字:行星不发光

校稿:辜汉膺 / 编辑:蛾


写在开头:

近期,我们的专业作者将在我们的“知识星球”分享不同领域的知识、个人体验、行业信息


①本期

▶主题:去过50+国家和地区的人见过哪些鲜为人知的风情

分享人:澄澈

-巴拿马,古巴,哥伦比亚,印度,阿根廷


②下期

▶主题:在荷兰工作生活,一些小刺激的细节

分享人:谷雨

-90厘米高的小便池、红灯区“探险”、“混浴”的桑拿房、什么是荷兰“天体浴场”


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航天之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基说过:“地球是人类的摇篮,但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”


人类在地球上已经生活了600万年,我们的摇篮也一点点扩大,从一个聚落、一片大陆到整个星球。但和浩瀚的星辰大海相比,又如此的渺小。


从远在拉格朗日点的詹姆斯·韦伯望远镜,到藏在贵州深山里的中国天眼。为了准确、全面地观测宇宙,人类一直在不断改进望远镜。


本文将简要盘点一下目前仍在运行的宇宙观测神器


 


哈勃天文望远镜

(Hubble Space Telescope,HST)

哈勃天文望远镜于1990年4月24日发射升空,并运行至今。其轨道位置为低地球轨道,目前位于地表上方535公里处。


哈勃锁定目标非常准,相当于能把激光准确照射在320公里外的硬币上。哈勃可全天区范围观测,可观测波段为可见光波段紫外波段


以“星系天文学之父”埃德温·哈勃为名

(图:wikipedia)▼


哈勃主要的科学发现和科研产出有:


1.量了宇宙中不同天体的距离,对于建立宇宙距离尺度非常重要


2.观测到了宇宙的膨胀速度正在加速,为研究暗能量的存在和性质提供了证据


3.观测到了远古星系的形成演化过程,为研究宇宙早期提供了宝贵数据


4.通过观测星系和星团的引力透镜效应,发现了暗物质的存在


5.观测到许多星系中心存在超大质量黑洞


6.观测了宇宙背景辐射


7.发现了柯伊伯带中的天体和观测了外太阳系行星和其卫星


8.观测到许多系外行星,发现了一些类地行星


9.通过观测星云和年轻恒星,深入了解了恒星的形成过程


迄今为止,哈勃望远镜已经进行了超过150万次观测,总存档数据超过340TB,天文学家使用哈勃数据发表了19000多篇科学论文


多年来,哈勃望远镜拍摄的佳作不少

比如,这张2014年版“创生之柱”▼


再比如,Westerlund 2,绚烂如烟火

 


詹姆斯·韦伯空间望远镜

(James Webb Space Telescope, JWST)


韦伯空间望远镜原计划于2007年发射,但一直推迟到2021年12月25日。它是NASA欧洲太空总署(ESA)加拿大航天局(CSA)合作项目


韦伯空间望远镜,长这样(底图:wiki)▼


其轨道位置为日地系统的拉格朗日L2点,距离地球至少150万公里,L2点可以保持背向太阳和地球的方位,易于校准和保护,而且在远离太阳的一侧,所以有利于红外观测


韦伯的特长在红外观测,它能够看到更多,更老的恒星和星系。但L2轨道是不稳定的,需要动力维持望远镜姿态和位置,目前韦伯携带的推进剂足够使用10年,所以它的任务目标时间就是10年


测试中的韦伯主镜,科幻感爆棚(图:wiki)▼


韦伯的主要科学目标是:


1.主要的任务是观测今天可见与宇宙的初期状态


2.寻找宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光;


3.研究星系的形成演化


4.研究恒星形成,行星系统的演化过程和生命的起源。


韦伯空间望远镜的发现包括但不限于首次直接拍摄系外行星、发现有史以来最遥远的星系、详细观测了系外行星的大气层和星系碰撞时的恒星形成等,其中还包括前不久拍摄到的一个问号形物体,引起了人们的极大关注。


韦伯望远镜拍摄的船底座星云部分图像

横屏,图:NASA's JWST)▼


韦伯望远镜2022年拍摄的南环星云

犹如一块嵌在黑色丝绒上的蓝宝石

(图:NASA's JWST)▼

 


盖亚任务

(Gaia)


盖亚任务欧洲太空总署的太空望远镜,致力于绘制一张精确的银河系三维星图。该任务于2013年12月19日发射升空,运行至今,正在观测银河系内外近20亿个星体。其轨道位于日地系统的拉格朗日L2点。


Gaia任务包含两个望远镜,它们以固定的广角进行观测,对观测范围内的每个天体平均观测70次,时长持续5年。观测波段为可见光


工作中的盖亚,想象图(图:wiki)▼


Gaia的主要科学产出有:


1.测量我们太阳系的加速度;


2.改进近地小行星的轨道;


3.改进恒星掩星阴影轨道预测;


4.发现了更多的稀有恒星、超高速恒星、新小行星和系外行星,揭示了太空中的气态结构;


5.揭示银河系在早期(大约在100亿年前)可能与另一个大星系并合后形成;


6.推测银河系“厚盘”部分在130亿年前开始形成,距离大爆炸仅8亿年;


7.白矮星随着内部的冷却,会变成固体球体。


在Gaia观测到的天体中,超过99.9%的天体从未被精确测量过距离。预计盖亚任务结束时,存档数据将超过1PB。


使用盖亚第三阶段资料绘制的四张图

(图:ESA / Gaia / DPAC)▼

 



“悟空”暗物质粒子探测卫星

(Dark Matter Particle Explorer, DAMPE)


暗物质粒子探测卫星是我国第一个空间天文探测器,命名为“悟空”。由中科院紫金山天文台主导,于2015年12月17日发射。


悟空号的轨道类型为太阳同步轨道,轨道高度约为500公里。原计划运行寿命为3年,但自从2015年发射后,至今仍在服役,而且工作状态良好。悟空号共计搭载了四种不同的有效载荷,结构如下图。


悟空号卫星的科学载荷结构示意图

(底图:紫金山天文台)▼


其主要科学目标是暗物质间接探测,次要目标是寻找宇宙射线的起源伽马射线天体物理研究,主要科学产出有:


1.2017年,首次在1.5TeV处观测到了明显超出的峰值;


2.给出了从40 GeV到100 GeV能段的宇宙线质子精确能谱测量结果,发布了25 GeV和4.6 TeV之间正电子光谱的精确测量结果;


3.“悟空”号卫星530天的运行共计记录到28亿个宇宙线粒子, 科学家从中筛选出了约150万个高能量的电子, 测量出了这些电子的能谱分布。揭示出电子能谱存在的一处拐折和一处可能的尖峰结构;


4.记录到明显增强的伽马射线爆发现象,这一爆发在12月16日达到了峰值;


5.测量得到的两个最亮脉冲星的伽马周期在1GeV-100GeV的能量范围;


6.揭示了电子和正电子的通量出人意料的形状。


悟空号在暗物质间接探测方面,具有较强的国际竞争力。

 



宽视场红外巡天探测卫星

(Wide-field Infrared Survey Explorer, WISE)


WISE是NASA在2009年发射的空间红外望远镜,运行期间共对约158000颗小行星进行了观测,其中包括约34000颗新发现的小行星。


该望远镜的四个工作波长分别为3.4,4.6,12和22微米,分别记为W1,W2,W3和W4。到2011年2月,固态氢全部耗尽,望远镜进入休眠状态


2010年,WISE拍摄的C/2007 Q3

(图:wikipedia)▼


WISE拍摄的图像(图:NASA)▼


2013年8月,WISE被唤醒,继续使用W1和W2波段进行巡天观测,并更名为NEOWISE,用于探测近地小天体


截止2022年4月,NEOWISE共对40700个太阳系天体进行了超过120万次红外测量,包括1380颗近地小行星和246颗彗星,其中发现了347颗潜在危险小行星和34颗彗星。


NEOWISE位于太阳同步轨道,距离地表525公里,主要任务包括:


1.搜索近地小行星,为地球撞击威胁评估提供数据;2.观测彗星3.研究小行星族群;4.测量小行星的大小分布和反照率。


C/2020 F3,于2020年被NEOWISE发现

(图:wikipedia)▼


 


凌日系外行星巡天卫星

(Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS)


系外行星凌星巡天卫星是一颗由NASA开发,专门用于探测系外行星的望远镜,又被称为“苔丝”。


TESS的轨道位于高地球轨道,为高椭圆轨道,其偏心率为0.55,近地点和远地点的距离分别约为10.8 万公里和37.3万公里。该轨道可以获得天空南北半球的无遮图像


TESS绕地球运行,想象图

(图:shutterstock)▼


TESS于2018年4月18日发射升空,预设的主要任务为2年,至今仍在运行。截止2023年8月,TESS发现了373颗已确认的系外行星。


TESS,启程(图:wiki)▼

 


中国巡天空间望远镜

(China Space Station Telescope, CSST)


CSST将是中国第一个光学空间巡天望远镜,它于2013年11月立项,预计在2024年发射,将在400公里高的轨道上运行。这意味着CSST具备在轨维护升级的能力。


CSST兼具大视场和高像质的优异性能,是哈勃视场的300倍。CSST的计划运行期为10年,将对17500平方度的天区进行多波段成像和无缝光谱观测,并对遴选的天体或天区开展精细观测研究,以获取数十亿恒星与星系的测光数据和数亿条光谱,并通过直接成像搜寻和研究太阳系外行星


中国巡天空间望远镜概念图

(图:bao.ac.cn/csst/)▼


CSST的主要科学目标有:


1.对宇宙加速膨胀、暗能量、暗物质、星系成团性和宇宙大尺度结构的研究;


2.星系和活动星系核,包括高红移星系和超大质量黑洞;


3.恒星活动、形成和演化;


4.系外行星、原行星盘和太阳系天体观测研究;


5.暂现源/变源和重要天文事件响应,例如引力波搜寻、高红移伽马射线暴和快速射电暴等。

 


“中国天眼”500米口径球面射电望远镜

(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)


“中国天眼”是目前世界上第一大的球面射电望远镜。项目早在1994年就被提出并开始进行预研工作。到2020年1月11日通过验收,正式开始运行。


“中国天眼”宛如玉盘(图:共生地球)▼


因为天体目标在运动,所以中国天眼在跟踪观测时,抛物面要一直不停地跟踪变化。于是,反射面不断变形,悬挂在钢索上馈源也要进行相应的运动。


为了支持这一功能,中国科学家将4450块三角形主动反射面安装在球形的大网兜内表层,大网兜的2225个节点形成了4450个三角形区域,每个节点上有斜拉的钢索,连接到地面,钢索下面有液压促动器往下拽钢索,每一个节点都可以双向运动通过联合控制,精确调节每个节点的运动距离,就可以使得球面变形成抛物面,实现变形


功能强大(底图:壹图网)▼


其科学目标有:


1.大规模中性氢的巡天调查,绘制宇宙早期图像;


2.建立脉冲星计时阵,参与未来脉冲星自主导航和引力波探测;


3.主导国际甚长基线干涉测量网,探测天体的超精细结构;


4.检测星际通信讯号,参与地外文明搜索。


它是搜寻脉冲星的利器(图:图虫创意)▼




上述神器是当前最为引人瞩目的天文观测设备,为天文学家们带来了丰富的科学产出。中国在某些方面处于国际前沿地位,例如在暗物质探测和射电望远镜领域取得了显著进展。而在光和热红外波段,与国际先进水平仍存在较大差距


随着天文学的发展,未来将需要更大口径的空间望远镜来捕捉更多微弱天体的光线。目前已经出现了一些针对未来空间望远镜的设计概念,例如大口径先进技术空间望远镜和单孔径远红外天文观测望远镜。这些观测神器将极大地提高人类对宇宙的认知

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上下滑动查看参考资料:

1.https://idea.cas.cn/viewdoc.action?docid=56176;

2.https://fast.bao.ac.cn/;

3.https://zh.wikipedia.org;

4.https://exoplanets.nasa.gov/tess/

5.https://www.cas.cn/zt/kjzt/awzlztcwxgc/awztcwxzxjz/201512/t20151217_4498617.shtml;

6.https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.htm;

7.https://www.jwst.nasa.gov/;

8.https://solarsystem.nasa.gov/missions/gaia/in-depth/;

9.http://pmo.cas.cn/dampe/

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场 

封面:NASA


END


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