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詹姆斯·韦布望远镜的关键光学技术
发布时间:2022-01-13    来源:网络   阅读次数:123 分享到:
一、韦布望远镜的关键光学技术由台湾工程师的研发奠定基础
2021年圣诞节成功升空的韦伯太空望远镜,规模与复杂度堪称史上最大,其中还承载了一位台湾工程师庄文献的贡献,16年前他的研究成果为一项关键光学技术奠下基础。

“身为工程师和技术专家,我乐见我的研发被应用在现实世界,为学术研究与人类的未来带来好处”。工程师庄文献在俄勒冈州波特兰(Portland)表示,“韦伯太空望远镜”(James Webb Space Telescope)将让人类对宇宙中的星系、星团和大结构起源有更进一步的理解。

韦伯太空望远镜于2021年12月25日在法属圭亚那发射升空,预计本月底将到达距离地球160万公里的拉格朗日点(Lagrange point),今年夏天可传回第一张照片。

“微电子系统”(MEMS)和“微快门数组”(microshutter array)等非专业人士听来陌生的名词与技术,正是庄文献20年前在马里兰大学(University of Maryland)攻读电机博士时,与美国太空总局(NASA)合作,为韦伯太空望远镜红外线光谱仪(NIRSpec)铺下了基础。马里兰大学日前特别表彰校友庄文献的贡献。

韦伯太空望远镜的挑战:至少20年寿命,且不能维修
时间拉回到2001年,两个奖学金及参与NASA的研究机会,让成大电机系毕业、斯坦福大学硕士生庄文献起心动念前往马里兰大学,成为始任教第二年的年轻学者戈西(Reza Ghodssi)门下第一位博士生。

美国各大学有不同的地利优势。地处加州硅谷的斯坦福大学,有许多和工业界合作的企划案;邻近白宫的马里兰大学,周边有重要的政府机构和军方实验室。

庄文献当时参与研究合作项目的美国太空总局哥达德太空中心(NASA Goddard Space Center),距离马里兰大学校本部约只有15分钟车程,哥达德的研究人员当时正在催生哈勃望远镜的下一代“韦伯太空望远镜”。

庄文献解释到,哈勃望远镜绕着地球转,虽然成本高、仍可以被维修;韦伯太空望远镜为了观测更遥远的星系,必须远离太阳与地球的辐射线并发射到距离地球更远处,其挑战是必须能发挥至少20年寿命、且不能维修。

在博士研究生涯的第一年,庄文献受益于大学实验室里一位德国科学家费提格(Rainer Fettig)的引领,之后他利用半导体的制程,独立研发微电子系统设备,并在实验室模拟外太空摄氏零下236度、超低温环境进行测试。长达4年的时间,他与哥达德太空中心团队密切合作、定期进NASA报告。

2005年,庄文献完成第一个能在太空运行的微快门数组组件,与其在外太空环境运行的可靠性分析。那不只是把太空望远镜放在大冰库运行的概念而已,且要确认所有组件在预定的寿命内,都能在外太空环境如实运行。

当太空望远镜捕捉遥远物体的微弱图片时,微快门数组可过滤不必要物体的光线,只对其中需要的物体光线分析波长、推敲其组成成分。

效力英特尔16年,带领团队获颁“英特尔成就奖”
取得博士学位后,庄文献因缘际会到全球半导体业巨头英特尔公司(Intel Corp.)服务;同门教授的硕士生凯利(Dan Kelly)毕业时进入NASA的团队就职,庄文献的研究陆续被其他人引用发布新论文。

“这是NASA频谱分析技术创新的一部分,我刚好有幸参与其中”。庄文献回忆,NASA原定韦伯太空望远镜在2011年升空,因复杂技术与庞大经费的挑战推迟,又时隔10年终于在去年底完成升空。

他说,若非指导教授戈西提前分享好消息,“我差点忘记这件事”。

职业生涯虽然没有继续参与NASA的工作,庄文献认为,不管在工业界与学术界,彼此都是一步步互相帮忙,“你的研究可能在任何时候、后继有人把它商业化,更好玩的是,当时机成熟时,人们可以把过去的概念加以实现,变成新的技术。”

效力英特尔长达16年期间,庄文献带领的团队开发创新的“硅诊断”解决方案,曾获得“英特尔成就奖”,这是英特尔员工的最高荣誉奖。

庄文献曾被派往英特尔在以色列、马来西亚和哥斯达黎加等地的园区协助当地的工程师,他体会到做事的“心态”很重要,“不要觉得事情不可能,换个角度想,常可以找到不同的门路解决方案”。

庄文献不忘感谢在台湾的父母,他说他的父母亲仅有中学学历,却用“无穷智能、逆向思维”的身教、言教,深刻影响了他与目前担任台大财金系教授的哥哥庄文议。职业生涯的下一个阶段,他希望带着兼容台美文化的创新价值,对台湾的科技界有所贡献。


二、韦布望远镜强在哪里
詹姆斯·韦布望远镜被称为“鸽王”,原因很简单,因为它不知道放了大家多少次鸽子,从最早2007年发射开始,一直拖到了2021年12月25日,再过几天就是2022年了,它是接替哈勃、众望所盼的空间望远镜,詹姆斯·韦布望远镜的性能,值得为它等待!
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与哈勃相比,詹姆斯·韦布望远镜强在哪里?
哈勃望远镜的大名应该是人尽皆知了,从1990年发射以来到现在已经工作了31年,尽管刚发射上去时还因为镜片磨制的问题,闹了个近视眼的大笑话,但经过修正镜修正光学误差后,达到了设计要求,31年间取得了无数成果!
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除了各式美丽的深空天体以外,哈勃解决很多困扰天文学家们很久的问题,比如造父变星的准确距离、哈勃常数的精确范围,还有用来参考宇宙年龄的计算与星系核中的黑洞是普遍现象等等。
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吃瓜群众看不懂那么多深邃的天文知识,但从三张著名的哈勃深空照中,我们也能知道,在极为遥远的“宇宙边缘”也是充满了无数星系,一句话,哈勃将人类的认知从几十亿光年直接被延伸至134亿年以前的宇宙,再远的距离,哈勃也无能为力了!
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詹姆斯·韦布望空间望远镜,专为深空而生!
哈勃望远镜的口径是2.4米,反射镜面是75nm厚的铝增强反射膜与25nm厚的镁氟保护层,焦距是57.6米,属于RC光学望远镜,主要观测波段是可见光,但也能在紫外和近红外凑合下。但在哈勃极深空场中的天体,已经到了极为暗淡的“红色”!为什么会这样?
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这是因为宇宙一直在膨胀,极为遥远的天体的光谱已经进入了极度红移,也就是说就算是一个蓝巨星看起来也变成了红色光芒,而原本的类日恒星则早就进入了近红外甚至红外波段。
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因此科学家迫切需要一台大口径(曝光时间 更短),观测波段为近红外甚至红外波段的空间望远镜来解体哈勃的观测任务,不仅是接班,而且还得是延续它无法企及的波段。
詹姆斯·韦布望远镜(JWST)的惊人参数
JWST的口径为6.5米,比哈勃的2.4米要高出2倍多,集光面积更是高达哈勃的7倍多,玩望远镜的朋友都知道,口径就是王道,JWST能看到更暗弱的天体,这个6.5米的口径,堪称空间望远镜中之最了,而且它身处遥远的深空,以史上最强形容毫不为过了。
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JWST的主镜是由18个镀金铍反射镜制成的六边形镜拼接而成,北部有极高精度的主动光学修正装置保证聚焦精度,而镀金的镜面主要让望远镜工作在橙光波段到中红外(0.6 至 28.3 微米,哈勃观测波长为0.1 至 1 微米)。
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韦布的每一块子都有名字
JWST的定点位置也与哈勃大相径庭,哈勃的轨道为559千米的近地轨道,而JWST的位置则是定点与日地拉格朗日点的L2点,这里位于太阳与地球连线的延伸方向,距离地球150万千米。
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哈勃观测时经常被地球遮挡,还有地面杂光的干扰,好处是与之比空间站轨道高了100多千米,当年航天飞机还能对它进行维修,也正因为如此,哈勃才有了重生的几乎,而詹姆斯·韦布望远镜实在是太远了,必须一次成功,否则上百亿美元的投资就白瞎了哈。
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詹姆斯·韦布能看到怎样的宇宙?
这是很多吃瓜群众最关心的,它能看到宇宙的诞生吗?显然这是不能的,因为要看宇宙诞生的波段不是红外,也不是电磁波段,而是中微子与引力波,这个以现在的技术而言还有不少差距,但韦布望远镜也许能看到早期宇宙的模样,特别是科学家最感兴趣的宇宙第一缕光(第一批恒星诞生的时刻)。
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据科学家估计,詹姆斯·韦布大约能看到在宇宙大爆炸后一亿年左右的时刻,大约是136~137亿年的宇宙,似乎比134亿年只多了2~3亿年?其实完全不能这样理解,因为宇宙的膨胀,我们看到的134亿年前大约已经膨胀到了330亿光年以外,而JWST将能看到136亿年前相当于400多亿光年以外,这将是一个巨大的飞跃。
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与我国巡天光学舱相比,究竟哪个更强?
詹姆斯·韦布望远镜上天,大家不由得会将其与2024年发射的巡天号光学舱相比,我国的天宫空间站亮点颇多,但巡天号光学舱与詹姆斯·韦布空间望远镜相比,那直接就不在一个档次上,当然各位也不必妄自菲薄,这是我国第一台真正的空间望远镜,还是有不少亮点的。
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巡天号光学舱相比
太空望远镜主镜口径2米,超过哈勃300+倍的现场。哈勃花费一年所获取的数据,巡天号一天就可以获取完毕
视场不是性能对比的主要参数,需要针对观测目标制定焦距,一旦焦距确定,口径确定,那么望远镜的性能就基本确定了,从这点上来看,如果哪位大神引用了百科的数据不加更改,还是要被大家笑话的。
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焦距越长,看到的细节越丰富,但视角比较小,焦距越小,那么看到的范围越大!但想要看到更远更暗的目标,不是焦距说了算而是口径,所以哈勃的性能仍然要比巡天号光学舱更优秀,但前文也说了,我们观测目标不一样,只能说各具优势,另外巡天号光学舱还有对地观测功能。
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我国巡天号光学舱主要在可见光波段,詹姆斯·韦布望远镜在橙-中红外波段,两者仅有部分重叠,并且口径等完全不在同一个级别上,两者完全没有可比性。
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詹姆斯韦布的旅程
巡天号光学舱的优势在于它是与天宫空间站伴飞的,本来是和空间站对接在一起,但后来考虑到空间站的动作和宇航员的日常行为会影响它的光学观测,因此改为伴飞,如果需要维护则可以随时靠近,它的可靠性、可维护性要比哈勃与詹姆斯·韦布望远镜高得多,当然观测时也不可避免地要被地球以及空间站所影响。
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