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        巨鏡“韋伯”即將凌霄

        2021-10-06 13:15:12卞毓麟
        科學大眾 2021年18期

        □文/卞毓麟

        “韋伯”空間望遠鏡

        2021年以來,國際天文界和航天界一直在熱議一件事:雖然屢屢推遲發(fā)射時間,但“韋伯”空間望遠鏡(英文縮略詞JWST,下簡稱“韋伯”)今年真要一飛沖天了!屆時,它將搭乘歐洲空間局(ESA)的阿麗亞娜5型火箭,從南美洲法屬圭亞那的一個航天基地發(fā)射入軌。

        “哈勃”的繼承者

        “韋伯”的研制工作始于20世紀90年代,起初稱為“下一代空間望遠鏡”,2002年又以詹姆斯·韋伯冠名。韋伯是美國國家航空航天局(NASA)的第二任局長,在1961—1968年的任期內,卓有成效地領導推進了“阿波羅”計劃和其他一些重大空間探測項目的實施。

        “韋伯”是NASA、ESA和加拿大空間局(CSA)的合作項目,素有“哈勃”空間望遠鏡(下簡稱“哈勃”)繼承者之稱?!肮钡闹麋R口徑是2.4米,“韋伯”則是6.5米,故其靈敏度約為“哈勃”的7倍?!肮币越邮諄碜蕴祗w的可見光為主,“韋伯”則基本上是一架空間紅外望遠鏡,觀測波段從可見光紅端(0.6微米)直至中紅外(28.3微米)?!肮钡目臻g軌道高度約600千米,“韋伯”則將定居于日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點L2——在日地連線上與太陽相反一側、距離地球約150萬千米處……青出于藍,“韋伯”將完成“哈勃”力所不逮的許多任務,使人類認識宇宙的立足點更上一個新臺階。

        日地系統(tǒng)L2點的位置示意圖

        研制過程一波三折

        研制空間望遠鏡從來不會一帆風順。1975年,科普巨匠阿西莫夫已在《洞察宇宙的眼睛——望遠鏡的歷史》一書中向公眾介紹:NASA打算研制一架大型空間望遠鏡。其實際進程則是:1981年美國為此組建空間望遠鏡科學研究所(STScI),1983年此鏡以“哈勃”冠名,1985年“哈勃”近乎竣工。然而,1986年“挑戰(zhàn)者號”航天飛機失事,發(fā)射“哈勃”的計劃幾近流產。幸好結局總算順利,1990年4月24日,“發(fā)現號”航天飛機攜帶“哈勃”順利升空。

        “韋伯”的經歷更奇特:1997年項目經費預算5億美元,預期2007年發(fā)射上天;2002年經費預算增至25億美元,預期發(fā)射時間推遲到2010年;2006年預算達到45億美元,發(fā)射時間更推遲至2014年;2010年預算達65億美元,預期2015—2016年發(fā)射;2013年預算增至88億美元,預期2018年發(fā)射;2018年預算超出88億美元,預期2020年發(fā)射。在經歷各種意外事故、預算危機之后,“韋伯”終于箭在弦上,將要上天了。

        無數的技術細節(jié)都必須嚴格檢驗——稱為苛求也不為過。例如,2017年7月開始對“韋伯”的“光學望遠鏡和集成科學設備”(OTIS)模塊進行一系列低溫學真空測試,歷時長達近百天。為了能探測到來自非常暗弱的遙遠天體的紅外輻射,整個“韋伯”必須維持在約40K(約-233℃)的極低溫度,而且它的中紅外設備(MIRI)還特別需要一個低溫降溫器,使其溫度降至7K(-266℃)。這些檢測在NASA約翰遜空間中心的真空室A中進行,該真空室的穹窿形密封大門直徑就達12米,重達40噸!

        完整的“韋伯”外觀活像一朵騎在沖浪板上的巨大向日葵。這“向日葵”的花瓣就是望遠鏡的主鏡,全長20.197米,寬14.162米,由18塊正六邊形的反射鏡面拼接而成。鏡面材料是硬而輕的金屬鈹,外表鍍金?!皼_浪板”是“韋伯”的遮陽板,由聚酰亞胺鍍鋁制成,上下共5層,每一層僅如人的頭發(fā)絲那么薄。它可以保護望遠鏡免遭來自太陽、地球和月球(“韋伯”位于日地系統(tǒng)的L2點,故日、地、月三者永遠處于它的同一側)的光與熱的影響,確保儀器在低溫下工作正常。

        想上天也不容易

        “韋伯”的個頭太大了,必須將“沖浪板”和“向日葵”都折疊起來,才能作為阿麗亞娜5型火箭的“乘客”前往太空。在到達目的地之后,再通過約180步的操作重新展開。整個操作流程在前幾年中已演練再三,有一次遮陽板壞了,致使一再延期的計劃再一次延誤。2020年3月,新冠肺炎疫情又使望遠鏡的組裝和檢測被迫推遲。

        各種科學設備組裝在一起的“韋伯”,要在美國加利福尼亞州的諾斯洛普·格魯門公司與飛船部分(即組裝在一起的太陽帆和船艙)相整合,進行更廣泛的最終測試。此事也已順利完成。

        不言而喻,“韋伯”的研制團隊會充分吸取“哈勃”的種種經驗教訓。例如,人們記憶猶新,“哈勃”曾因一個低級錯誤而導致成像質量不佳,后來NASA于1993年12月2日用“奮進號”航天飛機將7名宇航員送入太空前往修復。他們給“哈勃”裝上一個矯正透鏡,其作用有如給人戴上近視眼鏡,最終拍攝的天體照片質量極佳。這樣的錯誤決不容許在“韋伯”身上重演,因為宇航員不可能親臨遠離地球150萬千米的日地系統(tǒng)L2點去維修。如何杜絕此類隱患,“韋伯”已有許多預案和舉措。

        “韋伯”空間望遠鏡的遮陽板

        將會帶來何等驚喜

        在到達日地系統(tǒng)L2點之后,“韋伯”還要進行一系列調試才能正式開展工作。天文學家可真急不可待了,有太多的事情正等著“韋伯”去做呢。例如,當代天文學能夠言之成理地推斷,宇宙大爆炸之后過了幾億年,第一批恒星和星系開始誕生。但是,這一切究竟是如何發(fā)生的?揭秘其詳情細節(jié),就應該是“韋伯”一顯身手的用武之地。

        再如探索系外行星——太陽系外環(huán)繞其他恒星運行的行星,也是當下天文學的熱門研究領域。今天,天文學家探測到的系外行星已經數以千計,它們將是“韋伯”傾情關注的對象,尤其是與我們地球相似度很高的那些星球,會不會有生命棲居?就此而言,特別值得期待的或許當推位于寶瓶座中、距離地球僅40光年的“特拉比斯特-1”(Trappist-1)行星系統(tǒng)了?!疤乩人固?1”是一顆紅矮星,已發(fā)現它有7顆行星,其中的3顆是大小如地球、且位于宜居帶中的巖質行星?!绊f伯”將探明它們的大氣組成,以判斷這些行星是否真正“宜居”。

        人們盡可以大膽地想象,“韋伯”或許會瞥見什么樣的新天體,或許會看到什么樣的新現象。但是,更令人驚喜的必定是你全然意想不到的種種新發(fā)現,且讓我們拭目以待吧!

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