数字生活简报(2)-哈勃和韦布空间望远镜

原创 2023-01-25  | 陈看川

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话题:哈勃和韦布空间望远镜

1609年,意大利天文学家伽利略·伽利雷受到前人的启发,仿造出了人类历史上的第一架天文望远镜。通过这架直径仅4厘米左右的望远镜,伽利略观测到了月球山岭、土星光环...从此以后,望远镜便成为人类探索未知宇宙神秘之境的利器,帮助人类看的更远更清晰。

经过400多年的发展,望远镜家族衍生出了庞大的成员,适用于不同的使用场景。其中,空间望远镜因为身处太空环境,不会受到大气层和光污染的干扰,可以直接捕捉到人眼可见的自然光,成像内容更接近人眼观察的结果,可以观察到令人叹为观止的宇宙奇观。

上世纪90年代,美国宇航局使用“发现者”号航天飞机将哈勃空间望远镜(下称“哈勃”)送入位于地球大气层之上的空间轨道。这架耗费巨资的空间望远镜,在发射升空之初便被发现其光学主镜有球面像差,导致图像成像质量远低于预期。1993年,美国宇航局使用“奋进者”号航天飞机对哈勃进行了第一次在轨维修,使其恢复了计划中的图像品质。在长达30多年的运营时间中,美国宇航局一共对哈勃进行了五次大规模的升级,包括修复问题,更换老旧部件,增加新的科学仪器等,使得哈勃观测能力得到提升寿命得到延长。

哈勃迄今约进行了150多万次观测。它跟踪了恒星天体在太阳系中翱翔,观察了彗星与木星的相撞,发现了冥王星周围的卫星,证实了星系核心中存在黑洞,测量了系外行星大气层的组成,发现了迄今为止最遥远的星系,验证了宇宙的加速膨胀...它是人类望向宇宙深处的第一道目光,向全人类展示了前所未有的宇宙图景。它带来的成就远超预期,帮助科学家解决了长期困惑的问题,大大加深了人类对宇宙的认识。

哈勃空间望远镜 哈勃空间望远镜(来自NASA)

哈勃虽然迄今还坚守在岗位上,但毕竟已经垂垂老矣,人类迫切需要精度更高性能更好的空间望远镜帮助看得更深更远。于是哈勃的继任者-詹姆斯·韦布空间望远镜(下称“韦布”)闪亮登场。

韦布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,质量6.2吨,约为哈勃的一半,主反射镜口径6.5米,面积为哈勃的5倍以上。作为下一代空间天文台,韦布是一项相当复杂和风险极大的太空项目。与哈勃不同的是,韦布工作在日地系统第二拉格朗日点(L2)的轨道,位于L2点的天体可以背向地球和太阳,只需要很小的燃料就可以长期驻留,是深空探测的理想位置。但这个位置距离地球约150万公里(作为对比,地球和月球平均距离为38万公里),按照目前人类掌握的科技这个距离太过遥远,不可能派遣宇航员进行维修作业,这就需要确保韦布的设计建造都要万无一失,任何一个细微的错误或缺陷都将使韦布功亏一篑。

在经历了长达14年的“放鸽子”之后,韦布终于在2021年12月25日发射升空,并于2022年1月24日顺利进入围绕日地系统第二拉格朗日点的运行轨道。然后,经过为期5个月的镜面校准、仪器调试等工作,2022年7月中旬,韦布才正式进入工作状态。

詹姆斯·韦伯太空望远镜展开之后的插画 韦布太空望远镜展开之后的插画,展示了它工作状态时的场景,此时它的镜面背向地球和太阳,朝向深邃未知的深空。(来自NASA)

韦布凭借其强大的红外视觉和极高的分辨率,可以展现空间中前所未有的细节,为我们带来了更为震撼的宇宙深空照片。

韦布太空望远镜拍摄了迄今为止最清晰的海王星星环红外照片。海王星在韦布看起来并不蓝色。事实上,甲烷气体能吸收红光和红外光,以至于除了存在高空云的地方外,行星在这些近红外波长上相当暗。这些甲烷冰云以明亮的条纹和斑点突出,在被甲烷气体吸收之前会反射阳光。

韦布太空望远镜近红外相机拍摄的木星合成图像,极光和雾霾会发光。

韦布太空望远镜拍摄了著名的创世之柱的新图像-哈勃太空望远镜于1995年首次拍摄。图像揭示了该地区的新细节,三维柱子看起来像雄伟的岩层,这些柱子由星际气体和尘埃组成。(来自NASA)

可以从NASA 韦布太空望远镜项目官网了解更多更新的照片和发现。

需要说明的是,无论是土星星环还是创世之柱,在近地轨道和L2点都是不可能直接通过肉眼看到的。哈勃和韦布空间望远镜采用的是红外波段成像。中学的物理知识告诉我们,当光线波长变长了以后,在可见光波段表现为光谱会向红外方向移动,这种特点被叫做红移。对于非常久远的天体,宇宙膨胀产生的星体远去的速度,让这些光线大部分都变成了红外光线,通过红外相机就可以观测到。我们看到的照片实际上是根据一定的规则重新渲染处理的,每一种颜色代表了一些特征。比如说蓝色的星系,其中包括很多的星体,它的星际尘埃比较少;而红色的星系,则是包裹着厚厚的星际尘埃;绿色的星系团则是富含碳氢化合物及其他的化学物质。

文章

杀死本.拉登

2011年5月1日,奥巴马总统在白宫局势研究室与他的国家安全团队讨论打击奥萨马·本·拉登的任务。| Pete Souza/White House

2011年5月1日在巴基斯坦首都伊斯兰堡郊外,基地组织领导人本.拉登被美国军方击毙。在2010年8月份美国CIA情报人员就已经得到消息认为本.拉登很可能从阿富汗到达巴基斯坦。在经过了几个月各方面的情报搜集之后,确认本.拉登藏身在巴基斯坦农村的一座神秘三层小楼。美国军方迅速采取高度保密的军事行动,几架直升机载着24名特战士兵趁着夜色降落在小楼附近,在清理了抵抗力量之后,特战士兵将本.拉登当场击毙。

作为“基地”组织首领,911恐怖袭击案首犯,本.拉登本身行踪颇为神秘,他不使用任何电子设备,仅有的一次露面是被美国卫星拍下的。但是百密一疏,为本.拉登传递消息、负责生活起居的身边人员给了美军突破口,通过晾衣绳上衣服的种类和数量等蛛丝马迹情报人员辨别出了房屋主人的身份。可怕的是,对于美军的这次军事行动,巴基斯坦竟然一无所知,直到事件爆发后,巴基斯坦才从美方获知了本.拉登在其境内被抓获的消息。

故事

关不掉的智能电灯

美国一家高中的的智能电灯一天24小时一直点亮着,无法被关闭。这种情况并不是个例,实际上因为智能照明系统的故障,整栋楼的电灯都一直点亮着,已经持续了一年多。该学区的财务助理表示:“我们非常清楚,这让纳税人损失了大量资金。我们一直在尽我们所能解决这个问题。”

学校整栋楼使用的“绿色照明系统”,是在十多年前安装的,管理着约7000盏电灯。使用这个系统本应该省钱,但系统在2021年8月24日发生了故障,在这之后就没有人能将电灯关闭。教师们只能在放学后拧下灯泡,或断开一些不甚重要的断路器。糟糕的是,开发这套系统的公司几经易手,现在已经没有人能够有权限访问这套系统的软件来修复问题。鉴于以上原因,只能通过更换新硬件来解决问题。因为新冠疫情期间芯片短缺,修理工作被推迟到了2023年2月才能启动。

这个案例告诉我们:越复杂的系统发生错误的概率越大,我们应该总是记得保留降级预案。

误删文件导致美国全国航班停飞

美国联邦航空管理局当地时间1月19日表示,发生在1月11日导致全美航班暂停起飞的长达数小时的计算机停机事故是由于一家承包商错误删除文件造成的。

事故发生期间,飞行员无法访问被称为航空任务通知(NOTAM)的系统,该系统提供有关危险、机场设施变化和可能影响航班的信息,持续数小时,导致在这段时间全美所有航班无法起飞。报告显示,“合同人员无意中删除了文件,同时努力纠正实时主数据库和备份数据库之间的同步性。”

软件系统实际上是十分敏感和脆弱的,任何一个微小的错误都可能影响巨大。

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