□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

拼接巨鏡—走近韋布空間望遠(yuǎn)鏡

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

圖1 藝術(shù)家繪制的軌道上的韋布空間望遠(yuǎn)鏡概念圖。（圖片來(lái)源： NASA）

今年一月的第一個(gè)星期，我作為《天體物理通信》雜志的代理編輯，去華盛頓參加了美國(guó)天文學(xué)會(huì)（AAS）的冬季會(huì)議，還有幸參觀了美國(guó)宇航局（NASA）設(shè)在馬里蘭州格林貝爾德市（Greenbelt,Maryland）附近的戈達(dá)德航天中心（Goddard Space Flight Center）。科學(xué)家和工程師們正在那里忙碌，為未來(lái)十年里最重要的空間天文臺(tái)——韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, JWST）的最后裝配做著準(zhǔn)備。今年夏天，望遠(yuǎn)鏡將開始組裝；按照計(jì)劃，它將于2018年發(fā)射升空。

當(dāng)我參觀裝配大廳時(shí)，不久后將拼接成主鏡的18塊子鏡也正好剛剛運(yùn)抵。我們來(lái)到大廳高處的走廊，從這里向下看，就是科學(xué)家和工程師們裝配韋布空間望遠(yuǎn)鏡的核心地點(diǎn)——無(wú)塵間。即使是有資格進(jìn)入這里的工作人員，也要先在風(fēng)淋室中清潔，并穿上隔離服、戴上手套才行?！斑M(jìn)入無(wú)塵間就像進(jìn)入手術(shù)室。”韋布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的一名系統(tǒng)工程師雷伊·倫德奎斯特（Ray Lundquist）說(shuō)。他解釋說(shuō)，反射鏡面的潔凈將保證望遠(yuǎn)鏡成像的高質(zhì)量。

這些反射鏡在我參觀的時(shí)候仍然封裝在運(yùn)輸用的密封容器中。鏡片要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)運(yùn)，容器是為此專門設(shè)計(jì)的?！斑@些鏡片終于在戈達(dá)德集中起來(lái)，是一個(gè)令人振奮的里程碑。這是十多年來(lái)，無(wú)數(shù)工程師、技師和科學(xué)家在先進(jìn)的光學(xué)制造和測(cè)試中專注工作的結(jié)晶。”NASA韋布空間望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行主任埃里克·史密斯（Eric Smith）說(shuō)?！斑@些鏡片已經(jīng)準(zhǔn)備好裝上結(jié)構(gòu)支架了。這些支架無(wú)比穩(wěn)固，在它們的支撐下，這些鏡片將拼合成韋布空間望遠(yuǎn)鏡6.5米口徑主鏡——這是迄今建造的最大的空間望遠(yuǎn)鏡?！?/p>

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

圖2 戈達(dá)德航天中心內(nèi)裝配韋布空間望遠(yuǎn)鏡的無(wú)塵間。（圖片來(lái)源：Richard de Grijs）

圖3 最后三只密封箱運(yùn)抵戈達(dá)德中心。（圖片來(lái)源：Ball Aerospace）

如果只是一面普通的反射鏡，似乎沒有什么值得說(shuō)的。但在我們眼前的是要隨著韋布空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入太空的反射鏡，它的結(jié)構(gòu)可是值得說(shuō)說(shuō)的。韋布空間望遠(yuǎn)鏡由主鏡、第二反射鏡和第三反射鏡組成。較小的第二和第三反射鏡都非常特別，不過由多面子鏡拼接而成的最大的主鏡的結(jié)構(gòu)才是最為復(fù)雜的——只有各個(gè)部分相互配合，望遠(yuǎn)鏡才能正常工作。

任何望遠(yuǎn)鏡的最基本的“工作能力”都是由主要光學(xué)鏡片的大小決定的。主鏡越大，“工作能力”越強(qiáng)。對(duì)于這類大型望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，主鏡就是一面反射鏡。即使就陸基天文臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，“韋布”主鏡的口徑也是夠大的；而放到空間望遠(yuǎn)鏡“隊(duì)伍”中，它更是大得驚人了?？趶饺绱舜蟮耐h(yuǎn)鏡放到太空中（因此能夠避開地球大氣的擾動(dòng)），將能捕捉到宇宙中最遙遠(yuǎn)的星系和恒星發(fā)出的光。但是，要將這樣一整塊鏡片發(fā)射到太空中，也實(shí)在是太過巨大了。因此，需要將“韋布”的主鏡分割成18塊小得多、也輕得多的子鏡，它們要能夠折疊裝進(jìn)火箭頭部的錐形貨艙里。這18塊六角形主鏡拼接子鏡中的每一塊直徑都只有1.3米，約40千克重。這些子鏡并不“只是鏡子而已”，它們每一個(gè)都是復(fù)雜技術(shù)的集合，這些技術(shù)使它們的“行動(dòng)”配合緊密，就像一塊主鏡一樣。每個(gè)子鏡都有自己的“分解”結(jié)構(gòu)，從鍍金反射膜的鈹制鏡片，到其下的鈹制支撐結(jié)構(gòu)“支撐板”（whiffles）、“三角框架”（Delta frame），加上給鏡面精確定位和塑形的電機(jī)——整個(gè)結(jié)構(gòu)都安裝在一塊“背板”上。

“子鏡的組裝十分復(fù)雜。按照設(shè)計(jì)，它們十分輕巧，要能在-240°C的極端低溫下工作，還要能夠忍受發(fā)射時(shí)劇烈的振動(dòng)和壓力。到達(dá)軌道并展開后，18塊子鏡將依靠電機(jī)排列好，并保持這個(gè)狀態(tài)兩個(gè)星期。排列好的鏡片要能像一整塊反射鏡一樣工作?！盢ASA戈達(dá)德中心韋布空間望遠(yuǎn)鏡光學(xué)元件負(fù)責(zé)人李·費(fèi)因伯（Lee Feinberg）說(shuō)。

圖4 分裝于18個(gè)密封箱中的子鏡。（圖片來(lái)源：Ball Aerospace）

反射子鏡的基底材料是金屬鈹。每塊鈹制基底大約5厘米厚，“正面”即反射面經(jīng)過高精度拋光，十分光滑；“背面”則制成精確的三角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以減輕重量。反射面的平均拋光精度達(dá)到20納米，并在表面鍍了一層超薄純金反射膜，以提高在紅外波段的反射率。選用金屬鈹為材料，是因?yàn)樗|(zhì)地堅(jiān)硬，重量又輕，而且在韋布空間望遠(yuǎn)鏡工作的極度低溫下表現(xiàn)穩(wěn)定、可控。

在每塊鈹制基底的另一面，連接著三塊三角形的鈹制支撐板。它們好像“蜂窩”的蓋子。每塊支撐板約30厘米寬、60厘米長(zhǎng)。它們把支架的集中負(fù)荷分散到鏡片背面較大的面積上，以減小鏡片的變形。在這里，鈹同樣憑借強(qiáng)度高、重量輕，以及在極端低溫下能夠保持形狀的優(yōu)良性能而成為了制造支撐板的材料。鈹制的“三角框架”是18塊子鏡上重要的中介結(jié)構(gòu)，它們把反射鏡片和支撐板連接到電機(jī)上。電機(jī)由高精度馬達(dá)和傳動(dòng)齒輪組成，用于移動(dòng)鏡片和使鏡片基底的反射面變形。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，18塊拼接子鏡將對(duì)齊到合適的位置，以對(duì)同一天體進(jìn)行聚焦。

每塊子鏡上有六個(gè)電機(jī)是用于移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)鏡片的，18塊子鏡因此能夠排列成一整塊巨型反射鏡的樣子。另外，每塊子鏡上還有一個(gè)特殊的“壓力”電機(jī)，它直接固定在鏡片背面中央，并通過六條細(xì)長(zhǎng)的鈹制支桿與鏡片邊緣相連。壓力電機(jī)通過向桿和鏡片施壓，使18塊子鏡能夠具有幾乎相同的“曲率中心”，這樣它們才能聚焦在同一點(diǎn)，做到真正意義上的像一塊鏡面一樣工作。

看到了這些精巧方便的工程發(fā)明，我不禁想起南非大型望遠(yuǎn)鏡（SALT）的拼接子鏡來(lái)。那是一架位于南非薩瑟蘭天文臺(tái)的10米口徑望遠(yuǎn)鏡。幾年前，我曾獲得附近一架望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間，便順道去拜訪了在SALT工作的同事，并在那里共進(jìn)晚餐。席間，一名SALT技師告訴我說(shuō)，他正在調(diào)整大望遠(yuǎn)鏡的全部91塊子鏡，以優(yōu)化望遠(yuǎn)鏡的表現(xiàn)。為了調(diào)整SALT，他必須躺到主鏡下面去；他要一一確認(rèn)每塊子鏡的6個(gè)電機(jī)都處在正確的位置上……讀者可以想象一下，這樣的工作需要花掉他多少時(shí)間——而他一直要保持這種難受的姿勢(shì)！

圖5 單塊子鏡示意圖（模型）。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡鏡片上的電機(jī)就不一樣了。它也是這架望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)中的新發(fā)明之一。它們完全是電動(dòng)的，能完成完美的光學(xué)表現(xiàn)所需的納米級(jí)微小移動(dòng)。要對(duì)這樣微小的移動(dòng)有個(gè)概念，我們不妨考慮下一張紙的厚度：那大約是100000納米。不僅如此，這些電機(jī)還必須能夠在大量重復(fù)工作中表現(xiàn)出極高的可靠性，而且是在極端低溫的環(huán)境中——僅比絕對(duì)零度高出十度！這也帶來(lái)了大量的工程學(xué)難題，因?yàn)槿藗兇饲皬奈从龅竭^這樣的環(huán)境。飛船上的電子設(shè)備通常要保證一定的溫度才能工作，一般是在-15°C到55°C之間。但是，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的電子設(shè)備與望遠(yuǎn)鏡鏡片是連接在一起的，因此必須與鏡片在同樣的溫度下工作。

圖6 南非大望遠(yuǎn)鏡（SALT）是由91塊六角形子鏡組成的拼接主鏡?？梢郧宄吹狡唇又麋R背后復(fù)雜的蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)。（圖片來(lái)源：Richard de Grijs）

圖7 藝術(shù)家繪制的韋布空間望遠(yuǎn)鏡。（圖片來(lái)源：NASA，Northrop Grumman）

全部132個(gè)電機(jī)需要大量的電線，其中有的用于供電，有的用于傳遞電子控制元件發(fā)出的信號(hào)。為了滿足這些復(fù)雜的需要，鮑爾航空航天技術(shù)公司——NASA在光學(xué)技術(shù)和輕質(zhì)鏡面系統(tǒng)方面的主要承包商——尋找、測(cè)試并鑒定了已有的在30K（-243°C）低溫和輻射環(huán)境下工作的各種零件，以研制出一種包含22個(gè)低溫太空飛行電子元件盒的電路結(jié)構(gòu)。每個(gè)電子元件盒要能在30K到室溫之間的溫度范圍內(nèi)工作，每次會(huì)從較熱的控制元件發(fā)出一個(gè)信號(hào)到一個(gè)電機(jī)上。要完成這個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)，還需要知道如何合理設(shè)計(jì)電路以減少電線數(shù)量（即減輕重量，這是在一切航天發(fā)射中都非常重要的問題！）以及盡量避免較熱的控制元件將熱量傳到望遠(yuǎn)鏡上較冷的地方。鮑爾航天總裁羅伯特·斯特雷恩（Robert Strain）表示：“要真正實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)設(shè)計(jì)所要求的東西，我們需要大量的團(tuán)隊(duì)合作。我們期待著最終結(jié)果。在這場(chǎng)挑戰(zhàn)中，我們看到，揭示宇宙秘密需要地球上困難而驚人的工程技術(shù)。”

當(dāng)韋布空間望遠(yuǎn)鏡在太空中展開反射鏡面，并冷卻到工作溫度后，地面上的工程師將發(fā)出命令開動(dòng)全部電機(jī)以對(duì)齊所有子鏡，這個(gè)過程大約需要兩個(gè)月時(shí)間。接著，當(dāng)“韋布”徹底投入工作，開始科學(xué)觀測(cè)后，鏡面的校準(zhǔn)將每隔10到14天進(jìn)行一次。憑借這項(xiàng)新技術(shù)，“韋布”將成為第一架在太空中工作的主動(dòng)控制拼接主鏡望遠(yuǎn)鏡。

圖8 在進(jìn)入NASA馬歇爾航天中心的X射線-低溫設(shè)備之前，鮑爾航天的首席光學(xué)測(cè)試工程師戴夫·查尼（Dave Chaney）在檢查第一塊鍍金子鏡。（圖片來(lái)源：NASA/MSFC/ David Higginbotham）

圖9 韋布空間望遠(yuǎn)鏡第一組六塊拼接子鏡組裝完成，準(zhǔn)備在NASA馬歇爾航天中心（Marshall Space Flight Center，位于美國(guó)亞拉巴馬州亨茨維爾市）進(jìn)行最后的低溫測(cè)試。（圖片來(lái)源： NASA/Chris Gunn）

韋布空間望遠(yuǎn)鏡將接替預(yù)計(jì)于2020年退役的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。它將在日地延長(zhǎng)線上、近4倍地月距離處的第二拉格朗日點(diǎn)（L2）與地球同步繞日公轉(zhuǎn)，收集有關(guān)宇宙起源的信息。（地-月-日系統(tǒng)及L2點(diǎn)的位置圖示可參見作者在2011年11月《天文愛好者》上的文章。）為了觀測(cè)更遠(yuǎn)的天體，望遠(yuǎn)鏡的口徑要做得很大。“我們需要一架主鏡直徑比最大的火箭還要大的望遠(yuǎn)鏡?！表f布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目科學(xué)家馬修·格林豪斯（Matthew Greenhouse）說(shuō)。韋布空間望遠(yuǎn)鏡的預(yù)計(jì)工作壽命為5到10年，但“韋布”技術(shù)項(xiàng)目代理負(fù)責(zé)人保羅·蓋特納（Paul Geithner）表示，它“比哈勃望遠(yuǎn)鏡的威力強(qiáng)大100倍。它會(huì)將‘哈勃’所遺漏的收入囊中?！?/p>

繞地球運(yùn)行的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡大小約相當(dāng)于一輛公共汽車，而韋布空間望遠(yuǎn)鏡將是一架波音737客機(jī)的尺寸?！肮钡闹麋R口徑為2.4米，比“韋布”的小，視場(chǎng)也比“韋布”小得多。借助這些自動(dòng)的鏡片，“韋布”將對(duì)我們宇宙歷史的每一個(gè)階段——從大爆炸后的第一束光和早期星系形成，到產(chǎn)生能夠支持生命的恒星-行星系統(tǒng)，再到我們自己太陽(yáng)系的演化——進(jìn)行研究。

“韋布”的主鏡大約共有705千克，在運(yùn)載火箭中必須要折疊起來(lái)才能放下。在發(fā)射后六個(gè)月的時(shí)間里，它將一直處于“調(diào)試階段”，并在一星期之內(nèi)展開、對(duì)齊拼接子鏡。同時(shí)在“哈勃”工作過的NASA系統(tǒng)工程師邁克·門澤耳（Mike Menzel）表示，六個(gè)月調(diào)試期過后，望遠(yuǎn)鏡將交給全世界提交了科學(xué)研究申請(qǐng)的天文學(xué)家進(jìn)行觀測(cè)。無(wú)疑，這是我們很多人都在熱切期待著的！

韋布空間望遠(yuǎn)鏡將于歐洲空間局設(shè)在南美洲法屬圭亞那的庫(kù)魯（Kourou）發(fā)射中心發(fā)射升空。在制造即將完成的最后一年里，“韋布”將被運(yùn)送到NASA位于德克薩斯州休斯敦的約翰遜航天中心進(jìn)行最后的測(cè)試和診斷。這架嶄新的空間望遠(yuǎn)鏡將很有可能改寫天文學(xué)和工程學(xué)的歷史！