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望远镜的功劳 精选

已有 4279 次阅读 2022-3-11 08:14 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

望远镜为天文学立下汗马功劳,从伽利略开始……

1,伽利略和木星卫星

当伽利略第一次举起望远镜望向星空,他看到了什么?

他观察到木星的圆面,看到了月球上覆盖着山脉并有火山口的裂痕。一年后,他又观察到木星的4颗卫星,看到金星圆缺变化的满盈现象,以及太阳的黑子运动;他看到了银河由许多星星组成,表明地球外的宇宙之大;实际上为哥白尼日心说间接提供了证据。

1610 1 7 日那晚,伽利略又将望远镜对准了木星,发现木星总是被3颗星伴随着。过后几天,伽利略在木星旁又发现另1颗,总共4个光点,像4颗兵乓球一样陪伴在木星身边,它们一直随着木星运动,还围绕着木星转动。伽利略猛然开窍:那4颗星不是恒星,和月亮绕地球转一样,它们应该是木星的卫星!


伽利略观测木星(YouTube视频)

聪明的伽利略利用他的新发现来笼络当时佛羅倫斯最大的貴族-麥迪席家族,他将新发现的这4颗木星卫星命名为“麥迪席星群”,因为正好麥迪席家族有4个儿子。麥迪席家也因此安排伽利略成为比萨大学的教授,且不用教书和尽公职,只专心做研究,这使得当时的伽利略聲名大噪誉满欧洲,人们似乎忘记了(或者说是视而不见)这些新发现对哥白尼日心说的支持。每个贵族,包括法国王室在内,都想叫伽利略找到什么新的星星好以他们的家族姓氏来命名。

不过,后来的天文界虽然承认伽利略发现了木星的这4个最大的卫星,却不接受他提议的贵族命名,而是将它们称为“伽利略卫星”,四个卫星的名字分别为:Io 伊奧、Europa 歐羅巴、Ganymede 加尼美德、Callisto 卡利斯托,取的都是希腊神话中宙斯朱庇特情人的名字。后来又不停地发现了木星的多个卫星。据当前的资料,木星卫星数目是太阳系行星中最多的,地球只有一个月亮,而目前发现的木星卫星已有80个左右。有趣的是,据说人们继续用宙斯情人(或倾慕者)的名字,或这些人的女儿(女儿的女儿)名字来命名它们。不过笔者认为,对如此众多伴侣的星王,还是以数字排队比较科学:木卫(+#)。比如说,4颗伽利略卫星可以被简单地称为木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。

木星卫星中只有8个属于轨道近圆形的规则卫星(轨道近圆形,形体较规则),包括4颗最大的伽利略卫星,以及其余4颗体积更小,但更接近木星的卫星,这4颗小规则卫星(木卫十六、木卫十五、木卫十四、木卫五 ),被认为是薄薄的木星环尘埃的主要来源,见图左边木星环的结构剖视图。

四颗伽利略卫星的直径均超过3000公里,其大小都可与月球相比较,最大的木卫三比水星还大。不过,木星的其余七十多个卫星就都是娇小玲珑的“矮个子”了,直径都低于250公里,有的小到不到1公里。因木星拥有如此众多的卫星“伴侣”,使它看起来颇像一个小太阳系。

2,探测木星

人类从未停止研究木星,如此一个 “气体”星球,大气无“氧”表面温度极低,科学家们却十分感兴趣三番五次派去使者探究,究竟为何原因?

首要原因是因为它大,在太阳系中仅次于太阳。它拥有巨大的电磁场,对人类生命也许有潜在影响。二是众多的卫星及相关小行星,都臣服于它的引力超强。木星的环境不适合人类,但生命是否有可能存在于它卫星上?还有成千上万的小行星,有生命存活的条件吗?科学家们已发现一些蛛丝马迹,例如存在水的迹象。第三,木星有许多难解之谜,激发人们天马行空的想象。

木星表面有紅、褐、白等颜色,纹路清晰缤纷灿烂。最奇怪的是,“纹路”中还夹着一块令人印象深刻的大红斑。这都是些什么呀,如何形成的?

眼见为实啊,因此一定要派“使者”去看一看!

已经有好些个航天器拜访过木星,大多数是掠过而“顺访” 一下这位巨无霸。木星家大业大,接待个把客人不在话下,还可以顺便给客人来个“引力弹弓”,推它一把。让它们增大速度,奔向人类预设的目的地,顺利地到达。 旅行者、先驱者、尤利西斯、卡西尼、 新视野,都访问过他

当然,在“顺访”的过程中,航天器也偷拍几张木星照片,测量一些有关木星的物理数据,传回给地球上的科学家。这些宝贵的信息大大加深了人类对木星的认识。

别的不说,人类发现的木星卫星数目从1位数不断地增加,其中,这些前期造访者的功劳很大。

探测木星(YouTube视频)

有两个航天器的目的算是常驻它们绕着木星转,伽利略号打头阵朱诺号再接班,它们的故事都不平凡。伽利略号一生波折问题不断,设计者只给它安排 “绕木”两年,但它绕木8年总共服务14年,从 19892003。它曾经记录了1994年舒梅克·利维九号彗星撞木星的天文奇观,这是人类第一次观察到太阳系内两个天体的碰撞事件。

伽利略号最后以自杀方式壮烈牺牲,永远消失在木星的大气间。

NASA的“朱诺号”发射于2011年,5年后刚刚飞到木星边,这时主引擎发生故障,未到预定轨道只能按53天周期绕木转圈。但后来朱诺号奇迹般地因祸得福开展新任务峰回路转。

她壮志凌云身未亡,忠于职守绕木转,寿命从原来的2021延长至2025年!

朱诺是古希腊罗马神话中朱庇特妻子的名称,据说天神朱庇特总是在身旁造出一层云雾,以遮掩他的顽皮行径。而唯有他的夫人朱诺,能够看穿层层云雾见识朱庇特真身。

朱诺号航天器虽然长相不如天后那般美丽,她看起来像一架三叶片大风车,不过她却是集智慧于一身。三个巨大叶片是太阳能电池板,每块长9米宽2.65米。朱诺号之前大多数航天器利用核能,为何叶片如此之大?因为木星离太阳是5.2倍的日地距离,太阳能量的辐射平方反比率必须遵循。同样大小的太阳能板在木星处接受到比地球上少得多的光能,只有地球处的1/254%,大大的叶片总共放置了1.8万个光电池,它们能为朱诺号提供500瓦左右的电力使她顺利绕木运行。

比较人类而言朱诺号高大威武重量不轻。仅是中心处大脑部分直径便有3.5m,相当一个汽车拖箱的尺寸。三块太阳能电池板,使其空间范围扩展到20米,总重量3.6吨。其中2吨左右是燃料和氧化剂,还有9台科学仪器。这些仪器可以测量来自木星的各种辐射,木星很多方面与太阳相似,但为何一个成了恒星一个是行星?

比如元素含量,氢元素大约占75%,氦元素占24%,和太阳中元素含量差不多,所以探索木星有助于了解太阳。为了防止木星的强辐射,朱诺被戴上一个“头盔”重量200公斤。

科学家们不失幽默地要使朱诺号表现更多人性,让她带上了三尊特别的铝制乐高人:朱庇特手握闪电、朱诺用放大镜明察秋毫、伽利略拿着望远镜。

朱诺号去木星不容易,要克服地球重力还得克服太阳引力,因为我们不要它绕着太阳转而要绕着木星转。为此科学家们预先为她精心设计了轨道,有如下几个亮点:

1:朱诺号2011年升空后两年零两个月到达金星轨道后,她转回头飞回地球到离地559公里的高度,借力于地球之引力弹跳,获得了7.3 km/s的速度增量!

2:巡航五年后被木星俘获但绕木轨道不是简单重复,由于进动原因,每次轨道都会偏离一点点,使得探测器能够从稍微不同的角度和位置来观测木星。整体轨道像春蚕吐丝蜘蛛织网,密密麻麻将木星包围其中。

3:木星拥有强大的人眼看不见的巨无霸磁场,是地磁场的50-100倍,强大的磁场与太阳风的作用相抗衡使得周围形成强大的辐射带,但辐射带结构中有空隙,朱诺号巧钻空隙避磁场。

4:高速自转似陀螺一样,得以保持自身稳定。

朱诺号不远万里长途跋涉5年终于抵达木星身边,进入了 “俘获轨道”周期为53.5天,而工作轨道周期是14天,原计划转两圈后最后一次点火变轨实现,不巧主发动机突发故障,地面人员紧急补救而决定不将引擎点燃。最终朱诺号只能在53天的轨道上继续打转。公转周期延长节奏减缓,意味着离木星更远。但对朱诺号而言反而因祸得福,寿命多了好几年,因为设备受到更少的磁场伤害,延长了使用年限,美国宇航局也及时地将朱诺号的任务扩展到2025年。

新任务涉及 42 个额外的轨道,包括近距离掠过木星的北极气旋,以及飞越木卫一、欧罗巴、还有比水星还大的木卫三,也将广泛探索环绕木星的微弱光环。

2016年开始,朱诺号已经绕着木星转了38圈。她近距离的观察收集到不少新信息,汹涌澎湃大气层、两极多边形气旋、极光、磁场、闪电。特别是木星那个最引人注目的大红斑……

这个太阳系最大的风暴至少存在了200年甚至更长时间,但朱诺号的观测结果显示,大红斑正处于生命周期的最后阶段。在1880年左右大红斑足以吞下4个地球,那时它第一次被发现,如今风暴缩小到大约1万英里,是地球直径的1.3倍而已。朱诺号也发现大红斑的深度可达数百公里,她拍摄到的大红斑风暴观测图像详细又壮观。朱诺号首次提供了木星气流的3维视图,发现大红斑的大气带以高达300英里/小时的速度旋转。朱诺号探测到延伸至云层以下3000公里处的喷流,使科学家们了解到前所未知的木星的方方面面。

3,回到“韦伯望远镜”- 第一照

韦伯望远镜孤零零地飘荡在它的L2轨道上,24号那天,已经离家一个半月的它将镜头对准了大熊星座中一颗恒星 HD 84406,这个大熊星座就是我们熟知的北斗星,距离地球约258光年,拥有全天最显著的星象。恒星 HD 84406亮度为6.9等,不如北斗七星那般明亮到肉眼可见,但相对于周围环境而言,算是明亮又相对孤立的。这次被天文学家们选中来作为为期数月校准巨大主镜的目标。

韦伯望远镜(YouTube视频)

韦伯望远镜宽21英尺,是有史以来发射到太空的最大望远镜,并于上个月成功部署了主镜。科学家们希望这个红外望远镜能够拍摄到宇宙早期形成的恒星残骸的照片。

韦伯使用它的主力仪器”--近红外相机,对准HD 84406拍下了它的第一张红外像,我们来看看这首张照片长什么模样?你可能端详半天也看不出名堂,只见一个一个的白点,这是什么呀?不由得令人想起31年前哈勃望远镜发回的首照,难道第一张照片都失败兄弟俩命运一样?这照片就是当年让科学家们大失所望,哈勃照的是距离地球5500万光年远的M100星系,使哈勃望远镜成为一时的笑柄而广受质疑。那的确是因为人为的错误而造成的,因为打磨镜片的承包公司将主镜的形状磨错了,镜面边缘多磨了2微米。虽然只有头发丝的五十分之一,但差之毫厘失之千里。后来为了矫正这个错误, 3年之后NASA对哈勃进行维修,涉及7位航天员10天时间5次出舱行走,才给哈勃戴上一副眼镜矫正了“视力”,发回来了清晰的旋转星系照片。之后哈勃成果非凡。

韦伯第一照与哈勃第一张有所不同,这张惊人的照片有18个模糊白点,这是在天文学家们意料之中的。因为韦伯的镜片的位置还正在调整过程中。校准过程逐步而缓慢,将历时好几个月。这时候的韦伯不是作为一个望远镜整体来照相,而是18个镜片中的每一个都聚焦于不同的位置。所以,这18个星点全部都是大熊座恒星HD 84406的“像”,是被主镜的18片单独镜片反射到韦伯的次镜,最后进入主要成像设备近红外相机 而形成的。因此,目前看来韦伯校准的进度良好,这些点都位于中心部分附近,科学家将逐渐调整主镜镜片角度,直到18光点变成一颗星。

实际上,这个看起来由许多小白点组成的简单图像,令整个团队无比兴奋,因为他们很高兴看到光线顺利进入了近红外相机(NIRCam),可以由此确认韦伯的红外相机已准备好收集来自天体的光。除了这个近红外相机之外,韦伯还配置了另外3个科学仪器:近红外光谱仪(NIRSpec)、中红外仪器(MIRI)、近红外成像和无缝摄谱仪(NIRISS)。主镜片的整个校准过程都将用NIRCam进行。另外,在我们看来显得有些零乱的18个光点,天文学家们有办法将它们与18个镜片一一对应起来。因此,这第一张照片,成为对准和聚焦望远镜的基础,其中隐藏了镜片互相偏离的信息。科学家们根据这18个光点位置的变化来逐步调整镜片的方向和位置,直到 18 幅图像变成一颗星。

3,哈勃其人

宇宙是什么?人类的宇宙观念是与时俱进的。当人类只能用肉眼观察到少量的星星时,对宇宙的概念只能主要靠想象或者是宗教,还谈不上是科学。例如古中国的“天圆地方”“天地浑沌如鸡子,盘古生其中”之类的。随着人类更多的天象观测以及对天体认识的加深,逐渐建立起初级的科学模型。如开始时,托勒密的地心说被人们广为接受,算是最早的宇宙观,直到16世纪时为哥白尼日心说所取代。之后,特别是伽利略发明了天文望远镜之后,人们进一步认识到太阳也不是什么“宇宙中心”,而只是浩瀚银河系边缘一颗普通的恒星。

科学的脚步很快就走到了20世纪,人类宇宙观的根本变革发生在1923年,伴随着一位传奇人物的登场,他名叫哈勃(Edwin Hubble)。

哈勃何许人也?

哈勃是美国天文学家,1889年于密苏里州出生,他一生的作为总联上“星星”。他从小身材高大,名副其实的帅哥和明星。高中时曾在田径运动会上一举揽括七项冠军。在芝加哥大学他作为一名重量级拳击运动员而闻名,后来,他为满足父亲的愿望到英国牛津大学学习了三年法律,同时也是校内著名的体育明星。他很快就摒弃了原来的美国口音,变成了一位风流倜傥的英国绅士,嘴边叼着烟斗,操起一口纯正的牛津英语。以至于回到美国时,朋友称呼他“假洋鬼子”。

天文是哈勃最热衷最着迷的事情,他从芝加哥大学获得了天文学博士并受聘于威尔逊山天文台,得以观察和研究天上的星星。在威尔逊山下距离不远处的好莱坞,他是影星们心目中的英雄和偶像。

1920年的人类仍然在思考宇宙是什么的问题,整个宇宙是不是只有一个银河系还是许多个星系?天文学家们还就此在华盛顿的物理年会上展开了一场辩论。辩论双方分别是利克天文台的柯蒂斯和威尔逊山天文台的沙普利。简单而言,沙普利认为银河系大小有30万光年,主张银河系就是整个宇宙,柯蒂斯认为银河系大小不超过3万光年,除了银河系外,有多个与银河系类似的岛宇宙(星系)。从现代天文学的已知观测事实来看,当然是柯蒂斯正确沙普利错,因为对我们的可观测宇宙,据估计有1000亿到2000亿个星系!事实上,两位天文学家得出不同的结论是出于他们对银河系大小的估计。实际上现在公认银河系的大小是10万光年左右,在两人所估计值的中间。虽然被称为大辩论,但双方礼貌相待并没有多少火药味。因此,这场辩论并没有胜者,但却被当作科学史上的经典案例。

辩论时,哈勃刚到威尔逊山天文台一年,辩论之一方的天文学家沙普利,从1914年就是威尔逊山天文台的重要人员,有意思的是沙普利和哈勃两人不寻常的关系,两人都是密苏里人,家乡距离不远。但他们的个性迥然不同几乎是截然相反。沙普利更像是一个乡下男孩,善交往好人缘。哈勃显露他的军事背景、英国口音、绅士着装、冷漠傲慢。两人都是极优秀的天文学家,共同利用当时最大的胡克望远镜。沙普利对仙女座星云有详尽的观测,但他迷恋于他的 “大银河” 一个宇宙梦。“不识银河真面目,只缘身在此河中。”错过了第一个发现河外星系,开创观测宇宙学的机会。沙普利不久后就离开了加州去东部就任哈佛天文台台长。1924年,踌躇满志的沙普利在他哈佛办公室里收到哈勃来信,告诉他用造父变星的光变周期测量了仙女座星系与地球的距离为200万光年之遥,证实了仙女座不属于银河系。这封信彻底毁了沙普利的银河宇宙梦。但沙普利立即接受了哈勃的观测事实,不计前嫌,一位真正的科学家!

望远镜对天文学的功劳太大了!借助望远镜,伽利略数木星的卫星,赫歇尔数恒星,哈勃数岛宇宙(星系)。哈勃证明了仙女座不属于银河系,后来又有更多的河外星系一个一个被发现。哈勃后来又发现了星系间的距离在增加,宇宙正在膨胀的事实。因此,哈勃被誉为星系天文学的创始人和观测宇宙学的开拓者。

哈勃(YouTube视频)

宇宙学和天文学关系密切,但在概念上是两个完全不同的学科。天文学研究天体及其各种特征,包括行星、彗星、恒星和卫星,星系天文学研究星系。而宇宙学是把宇宙当作一个整体进行研究,星系只是其中一个“点”。宇宙学的研究对象包括宇宙构成、演化,大尺度结构形成,等等。

例如韦伯望远镜要拍的宇宙婴儿照,便属于大爆炸模型的早期宇宙。

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