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当“亚特兰蒂斯”号航天飞机的宇航员正在进行可能是哈勃太空望远镜的最后一次维护时,这个已经有 19 年历史的、大大推动了天文学和太空科学地位的“老黄牛”,欧洲航天局 (ESA) 正在准备将另外两艘重磅天文探测器部署到太空。
周四,欧洲航天局将发射普朗克和赫歇尔,这是两个独立的观测台,将共享一枚火箭进入太空。虽然它们的功能和目标不同,但这两艘探测器都将观测宇宙早期发出的辐射,以揭示我们的宇宙起源。
赫歇尔拥有 3.5 米(11.5 英尺)的望远镜镜面,是迄今为止在太空飞行过的最大的镜面。(相比之下,哈勃的镜面为 2.4 米,即 7.9 英尺)。美国宇航局喷气推进实验室(JPL)在加利福尼亚州帕萨迪纳的赫歇尔项目科学家保罗·戈德史密斯说,作为一个观测台,它的总体主题是研究恒星形成。(尽管这两艘探测器主要是欧洲航天局的项目,但它们是与美国宇航局联合建造的。)
在宇宙中数十亿光年的距离上,因此也是在数十亿年前,恒星正在大量诞生。这些所谓的星暴很难从地球上观测到,因为它们的尘埃外壳吸收了来自恒星的大部分可见光,并将其重新辐射为较长波长的辐射,而地球大气层对这种辐射基本上是不透明的。(即使是不受尘埃影响的光子,也会在穿越不断膨胀的宇宙的过程中,波长被拉伸。)
通过对大气层遮蔽毯之外的长波长光进行采样,探测器将以前所未有的视角观察这些正在形成的恒星和星系。(赫歇尔和普朗克都将安家在距离地球约 93 万英里,即 150 万公里的地方,远在月球轨道之外。)戈德史密斯说:“拥有赫歇尔就像打开一扇脏窗户”,让我们更清楚地看到恒星形成的过程。“我们非常缺乏对星际云中冷而弥散的气体和尘埃是如何转化为更热、更密集的气球,即恒星的理解。”
戈德史密斯补充说,赫歇尔还将能够清点星际云中各种分子的种类,以加强恒星形成的化学性质。特别是,它将检查水在这一过程中所起的作用,预计这将是一个至关重要的作用。该观测台应该能够观察到恒星正在形成的区域,他说,“明确地确定有多少水,以及它在做什么。”
在法属圭亚那欧洲航天局的阿丽亚娜 5 号火箭上,紧挨着赫歇尔的是普朗克,这艘探测器将建立在由美国宇航局于 2001 年发射的具有开创性的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的工作基础之上。通过测量宇宙微波背景(CMB)的细微变化,即宇宙早期遗留的、弥漫在天空中的辐射,WMAP 改进了对宇宙年龄的估计(137 亿年,上下浮动),以及其他关键的宇宙学参数。普朗克的精度将是 WMAP 的三倍,并且对 CMB 温度变化的灵敏度将远远高于其前身。
JPL 的项目科学家查尔斯·劳伦斯说:“WMAP 大约测量了我们可以从 CMB 温度波动中获得的 10% 的信息,而普朗克应该测量所有这些信息”,他是戈德史密斯在普朗克任务中的对应者。劳伦斯预计,该探测器将大大缩小诸如宇宙年龄、普通物质(我们所能看到和触摸到的所有物质)的相对比例以及那种被称为暗物质的神秘物质等宇宙学参数的不确定性,人们认为暗物质在宇宙中所占的比重远高于普通物质。
普朗克还可能能够证实或挑战暴胀理论,这是对宇宙大爆炸后快速膨胀的主流解释。劳伦斯说:“暴胀是一个强有力的概念,它以一般的方式解释了宇宙的许多关键特性。”“但我们不知道暴胀在基本物理学方面是如何运作的。有很多想法,但没有太多数据。”普朗克将在 CMB 中寻找暴胀的印记,以帮助填补这一数据空白。
JPL 的这两项任务的项目经理乌尔夫·以色列松说,这两艘探测器将协同工作,以帮助完善我们对宇宙诞生和演化的理解。以色列松说,当普朗克探测宇宙只有现在年龄的 0.003% 时的辐射时,赫歇尔将“观察早期宇宙中第一批星系是如何形成的”,甚至研究更近期的过程,如行星系统的诞生。他说,这样做,赫歇尔将“某种程度上接替普朗克的工作”。