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《科学24小时》

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詹姆斯·韦伯 太空望远镜

2018-02-24 00:45:00

  美国宇航局(简称NASA)当然知道“哈勃”的设计寿命只有25年,这还是在一切顺利前提下的乐观估计。“哈勃”的实际使用情况已经令NASA很满意了。确定哈勃继承者的计划,早在“哈勃”还未上天时就已经酝酿了。

  因为“詹姆斯·韦伯太空望远镜”耗资巨大,几番超出原有预算,NASA不得不寻求与欧空局合作,所以才延误了一些时间。

  近日,“詹姆斯·韦伯太空望远镜”的最后一块镜面已经安装就位,2018年将择机发射升空。天文学家相信这架造价接近百亿美元的“詹姆斯·韦伯太空望远镜”一定会揭开人类天文学的新篇章。

  “韦伯”肩负的新使命

  为了尽快看到宇宙大爆炸之初的情形,人类需要一个比“哈勃”更“火眼金睛”的探测使者深入太空。这个探测使者不仅能够探测到宇宙初生时的景象,运气好的话还能深入地探测到大爆炸后形成的第一颗恒星的爆炸。此外,它也能揭开和银河系最近星系的起源之谜,还能观测到孕育了恒星和附属行星的星云……这些都是科学家急于揭示的天文学之谜。

  是的,我们需要一架视野更深邃的太空望远镜。

  为了达成这一目的,NASA和欧空局要求“詹姆斯·韦伯太空望远镜”的镜面要足够大,大到能捕获来自第一代星系发出的微弱之光。此外,这个望远镜还必须能抵御极低的温度。因为温度一旦超过零下223摄氏度,望远镜本身的红外热辐射就会掩盖掉微弱的光量子——这跟我们无法在灯火通明的地方看到萤火虫的荧光是一样的道理。项目组决定将这个探测使者安置在地球以外150万千米轨道的第二拉格朗日点上。因为第二拉格朗日点是太阳和地球万有引力叠加产生的稳定区域,而位于此点的航天器都处于地球所投射的阴影之下,在那里,更容易让航天器保持低温。而在这样的低温下,“詹姆斯·韦伯太空望远镜”才能探测到在宇宙中漫游了130亿光年的光线和热量的痕迹。

  负责“詹姆斯·韦伯太空望远镜”项目的首席科学家丹尼尔·戈登最初将主镜面设定为直径8米,后因大大超出预算,不得不将主镜面直径缩小为6.5米,这已是能够观测到宇宙大爆炸的第一缕光线的最低要求了。

  即便如此,它的主镜面直径也已经是“哈勃”的3倍了,面积则是“哈勃”的5倍以上。

  在实施过程中,设计团队遇到的第一个难题是超大块头的主镜片,其次便是望远镜所依赖的主体技术,这也是此前未曾尝试过的。这个主体技术面临着从高灵敏光探测仪到制冷系统等的各种挑战,其中的制冷系统要使这架太空望远镜一直保持在零下223摄氏度的极端低温以下。

  “韦伯”一旦发射,就将毫无退路,要么旗开得胜,要么前功尽弃——因为地球与第二拉格朗日点的距离是月地距离的4倍,我们根本没有对它进行维修的可能性。

  虽已精益求精,但仍需好运眷顾

  “詹姆斯·韦伯太空望远镜”的质量为6.2吨,约为“哈勃”的一半,但它体积庞大,必须把它折叠起来,才能装入一枚“阿里亚娜5型”运载火箭的狭窄货运仓内。这就对它的重量和尺寸都提出了严格的要求。于是,主镜面被分割成18块,每块镜片背部都装有7个马达,能够在10纳米的精度内调整镜片的形状和朝向。

  “韦伯”发射后,这些镜片会在高精度的微型马达和波面传感器的控制下展开。仅此一项就让光学技术专家们承受了前所未有的压力。

  再看看这被分割成18块的六角形镜片,每个镜面的抛光误差不得超过10纳米,同时镜面也经过专门琢磨,使其能够在遮阳板阴影的极度严寒环境中保持正确形状。在该计划的早期,天文学家曾设想可以使用超低膨胀玻璃,因为在温度改变时它的变形很小,但就是这很小的变形也足以使望远镜完全失效,只得放弃。

  天文学家最终选择了铍作为镜面材料。选择铍作为镜面材料,就意味着要花费更多的设计时间,因为铍需要更多的时间去抛光。NASA的工程师们从6年前就开始为镜片进行涂层处理,要涂上厚度仅为120纳米、总重为3.4克的黄金,而120纳米只是一个人头发的1/200。涂层工作一直到2016年年底才全部完成。

  在制造过程中,曾有一个测试无法进行,令制造团队备感不安,那就是展开巨型遮阳板的过程是无法进行测试的。巨型遮阳板19米长、11米宽,NASA没有大到足够进行测试的低温真空舱。最后,NASA不得不采用了相对冒险的方法:只测试望远镜的关键部件。至于升空后的最终结果如何,只能自求多福了。尽管如此,丹尼尔·戈登仍显得信心十足。他最大的愿望是“詹姆斯·韦伯太空望远镜”这个具有红外线视觉的强大“时间机器”,不仅能够窥探135亿年前的宇宙状况,发现宇宙最早期黑暗之中诞生的第一批恒星和星系,还会对人类搜寻外星生命做出具有里程碑意义的贡献。

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