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打开宇宙之窗:从引力波到史上最强太空望远镜

2018年11月09日  07:00   21世纪经济报道   白杨  

实际上,宇宙的探索如同大会主题“雅努斯之门”一样,就是在不断了解过去的过程中,更好地眺望未来。无论是引力波天文学,还是耗资达百亿美元、预计将于2021年发射的韦伯望远镜,都是人类探索宇宙的最新利器。

雅努斯(Janus)是古罗马神话中的一个人物。传说中,他拥有两副面孔,一副看向过去,一副看向未来,因此,雅努斯也被认为是掌管着时间的守门人。

11月4日,以“雅努斯之门”为主题的2018腾讯WE大会在北京召开。自2013年起至今,该大会已经连续举办6届。腾讯董事会主席兼首席执行官马化腾在首届WE大会时表示,“这个论坛没有谈及商业或者公司之间的竞争,要谈的是未来如何用科技改变人类生活,如何解决我们可能现在想不到的未来的很多问题。”

事实证明,马化腾并没有食言。过往的五届WE大会,都可谓是纯正的科学大会,腾讯邀请来众多国际顶级科学家,包括著名宇宙学家Stephen Hawking、引力波发现主要贡献者、诺贝尔物理学奖获得者Barry Barish、万维网联盟创始人Tim Berners Lee等等,由他们向中国观众分享科技界最前沿的思想和技术。

而今年WE大会的嘉宾则包括2017年诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家Kip Thorne、哈佛大学理论物理学教授Lisa Randall、欧洲航天局(ESA)科学与探索高级顾问Mark McCaughrean、中科院神经科学研究所所长蒲慕明、中科院上海植物生理生态研究所合成生物学重点实验室主任覃重军、美国西奈山伊坎医学研究所所长Joel Dudley等。

其中,Kip Thorne和Mark McCaughrean两位科学家分享的话题都与宇宙相关。实际上,宇宙的探索如同大会主题“雅努斯之门”一样,就是在不断了解过去的过程中,更好地眺望未来。

引力波天文学

2017年,因在LIGO项目及引力波探测方面所取得的贡献,Kip Thorne、Barry Barish和Rainer Weiss共同获得了当年的诺贝尔物理学奖。

去年8月,观测到引力波的LIGO被关闭以进行改进。Kip Thorne向21世纪经济报道记者表示,目前LIGO改进的进展很顺利,预计2019年2月份左右便可以重启。到时LIGO的探测距离预计会扩大两倍,探测的体积也将扩大8倍左右。

不仅如此,Kip Thorne还预计,新启动的LIGO能够更频繁地看到黑洞与中子星发生碰撞,甚至可以看到黑洞撕裂中子星。“希望能够在更加干净和更加优越的环境中,更好地研究中子星内核物质的物理现象和规律。”

Kip Thorne表示,在他还是一个学生的时候,就给自己设定了一个人生目标,即要用理论和观察探寻弯曲的世界。实际情况也确实如此,1967年,27岁的Kip Thorne成为加州理工学院的副教授,便开始研究引力波理论。

根据物理学原理,能够从遥远的宇宙传播过来,并且能够带来远方信息的波只有两种:一种是电磁波,另外一种便是引力波。

在Kip Thorne看来,400年前,意大利天文学家、物理学家伽利略发明了第一台天文望远镜,标志着基于电磁波的天文学正式诞生;而三年前用引力波观测到黑洞碰撞,则标志着引力波天文学的诞生。

过去几百年,电磁波是天文学最主要的探测手段,它也确实让人类对宇宙有了全新的认识。但是,电磁波在传播中很容易被散射或吸收,这也决定了基于电磁波的观测,存在一定的狭隘性。

而引力波不同,它产生于宇宙大爆炸,在传播中几乎不会出现衰减或散射,不仅如此,像黑洞碰撞这样的天文事件并不会发出电磁波,人类也只能依靠引力波获取相关信息。因此,引力波将是人类了解宇宙起源的绝佳工具,Kip Thorne称,“引力波赋予了我们一种探索宇宙的新方法,它能让我们了解到这400年来从未观探测到的宇宙。”

但Kip Thorne也坦言,“虽然引力波是非常重大的发现,但我并不认为它在100年内,会对科学技术的发展或者产业发展,能起到什么立竿见影的影响。”不过,Kip Thorne认为,短期内,引力波探测器的发展会对新的科技提出需求,从而为科技发展做出贡献。

比如在用激光去探测引力波时,它对频率稳定性的要求之高是前所未有的。“我的同事为此开发了新的技术,来稳定光谱频率。这种稳定化技术现在已经广泛用于科学研究。” Kip Thorne表示。

此外,Kip Thorne在演讲中还讲到了虫洞和黑洞。对于虫洞,Kip Thorne表示它不会在宇宙当中自然产生,而是需要有高级文明有意识的去创造和维持,再填充特殊材料,虫洞才能存在。

而黑洞跟虫洞不同,黑洞在宇宙中是切实存在的。据Kip Thorne介绍,近期会有一个超级望远镜,去呈现银河系中心一个巨大黑洞的实际景象。而且,现在已经有多个类似的望远镜覆盖在全球不同的地点,它们获得的数据也会进行集成和整合。

哈勃“继任者”或3年后发射

与Kip Thorne类似,Mark McCaughrean也从小就对宇宙充满了向往。Mark先后进入过德国几家天文研究院和美国国家航空航天局(NASA)工作,并于2009年加入欧洲航天局(ESA)担任科学与探索高级顾问。在此期间,Mark参与了罗塞塔计划、哈勃和韦伯等天文望远镜项目。

1990年4月,被称为“太空之眼”的哈勃望远镜被送入太空。在近30年的工作期间,哈勃望远镜取得了很多成就,比如确认了银河系内临近M87的星系中央存在一个巨大的黑洞,这是迄今为止证明黑洞存在的最直接证据;发现木星的卫星大气层中存在氧,这颗卫星则被认为是太阳系中最有可能存在生命的地方之一;对猎户座星云中年轻恒星周围的尘埃环进行了观测,证明了银河系中存在其他行星系统等。

Mark在演讲中表示,天文研究最好的办法还是在太空中观测,因为在大气层外,影像不会受到大气湍流的扰动,同时还能观测到会被臭氧层吸收的紫外线。哈勃望远镜的位置便距离地球表面约400公里。

需要了解的是,这个距离也必须确保宇航员能够达到。因为哈勃望远镜发射之后,宇航员要过去对它的主镜进行维修,或者去放置一些新的部件和科学仪器。据Mark透露,几周前,哈勃望远镜便出现了一些小问题,目前已经恢复。

然而,随着人类对宇宙探索的不断深入,有很多区域已经无法通过哈勃望远镜进行观测,因此,詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope, 即JWST)项目开始启动,它是由美国航空航天局、欧洲航天局和加拿大航空航天局联合研发的红外线观测用太空望远镜。

作为哈勃望远镜的继任者,韦伯望远镜也被看作是人类下一代的空间天文台。据悉,该项目发起于1996年,原计划耗资5亿美元,并于2007年发射。但是,由于种种原因,项目预算严重超支,发射时间也一再推迟。

Mark向21世纪经济报道记者表示,目前来看,韦伯望远镜的成本将达到100亿美元。“韦伯望远镜开始设计的时候,有很多技术是没有的,所以需要去做一些技术研发。但有些技术研发要花很长时间,这也是发射时间多次推迟的原因。”

Mark进一步说,现在最大的挑战是要把各个部件组合到一起,同时还要将遮阳板和望远镜进行配合,以保证它们运作良好。“遮阳板非常重要,我们要确保发射之后它的温度不能太高,不然会影响望远镜的运作。但在测试过程中,却出现了一些技术性问题,一些用于固定作用的螺丝帽掉下来了,这需要花时间去维修。”

实际上,与哈勃望远镜相比,韦伯望远镜的风险要大非常多,因为它要到达的位置距离地球非常远,所以无法再派宇航员过去维修保养,这也要求在发射之前,韦伯望远镜要尽可能的将其故障率降到零。

不过,韦伯望远镜一旦成功发射,它也将成为有史以来最强大的太空望远镜。据Mark介绍,按照计划,韦伯望远镜将到达距离地球150万公里的拉格朗日L2点,然后需要约15天的时间进行展开。

当这一切都准备就绪以后,韦伯望远镜将开始它的任务:调查作为大爆炸理论的残余红外线证据(宇宙微波背景辐射),即观测目前可见宇宙的初期状态。同时,韦伯望远镜也会关注系外行星,并探测银河系的形成和演进。

“我们相信2021年韦伯望远镜可以按时发射,但是也许还会出现问题,如果再次出现问题,那就再一次去解决它。”Mark说。(编辑:张伟贤)

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