申衛(wèi)峰

美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月16日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）發(fā)布詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的一顆恒星的照片，圖像背景中璀璨的古老星系令科學(xué)家激動(dòng)不已。不過(guò)，這次發(fā)布的恒星照片是在望遠(yuǎn)鏡調(diào)試過(guò)程中拍攝的測(cè)試照片，并非正式觀測(cè)照片。

NASA當(dāng)天發(fā)表聲明說(shuō)，截至3月11日，韋布望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)完成7個(gè)調(diào)試步驟中的5個(gè)，觀測(cè)效果有望達(dá)到甚至超出預(yù)期目標(biāo)。預(yù)計(jì)5月初調(diào)試完畢，6月底前后正式“上崗”，并于今夏發(fā)布第一張正式觀測(cè)照片。屆時(shí)，韋布望遠(yuǎn)鏡有望探測(cè)到宇宙最早形成時(shí)的第一批星系發(fā)出的亮光，甚至還能幫助人類(lèi)追尋外星球上的生命，而它未來(lái)的發(fā)現(xiàn)，很可能將再度改寫(xiě)教科書(shū)。

哈勃“接班人”在太空超低溫條件下拍攝紅外光

1990年4月，NASA向距離地面575公里處發(fā)射了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（下稱(chēng)哈勃望遠(yuǎn)鏡）。從那時(shí)起，這架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為人類(lèi)天文學(xué)事業(yè)提供了很多前所未見(jiàn)的觀測(cè)結(jié)果。但由于其最初性能不佳，1993年12月，NASA不得不派航天飛機(jī)上去維修。

不過(guò)，NASA一部分人不看好這樣的維修任務(wù)，于是他們牽頭成立了“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡及未來(lái)”委員會(huì)，評(píng)估維修任務(wù)的可行性，以及假如維修失敗，下一代太空望遠(yuǎn)鏡的建造問(wèn)題。然而，維修行動(dòng)成功了。這個(gè)委員會(huì)的任務(wù)便從研究哈勃望遠(yuǎn)鏡替代者轉(zhuǎn)型為研究更先進(jìn)的太空望遠(yuǎn)鏡。

哈勃望遠(yuǎn)鏡主要針對(duì)可見(jiàn)光、近紫外線和近紅外波段進(jìn)行觀測(cè)，但太空中很多天體的溫度很低（比如行星或塵埃盤(pán)），其發(fā)出的光輻射波長(zhǎng)很長(zhǎng)，屬于紅外光。此外，一些可以追溯到最早星系的古老天體，由于存在很大的紅移，整體光譜也偏向紅外。要完成對(duì)這些天體的觀測(cè)，需要一種更冷、更大的望遠(yuǎn)鏡。

哈勃望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)的溫度一般維持在15℃左右，而韋布望遠(yuǎn)鏡為了能觀測(cè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的中紅外線，需要將自身溫度降到零下223℃以下即用液氮或者主動(dòng)溫控對(duì)紅外相機(jī)進(jìn)行制冷。與此同時(shí)，由于韋布望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)也會(huì)發(fā)熱，其產(chǎn)生的熱紅外線將很容易淹沒(méi)想要觀測(cè)的外界紅外線。因此，科學(xué)家為了實(shí)現(xiàn)觀測(cè)條件，給韋布望遠(yuǎn)鏡蓋上了5層厚厚的“遮陽(yáng)傘”——聚亞胺薄膜。這5層薄膜，每一層面積接近網(wǎng)球場(chǎng)大小，卻只有頭發(fā)絲的厚度，每層薄膜兩面鍍鋁，以反射光和熱，最靠近向陽(yáng)面的兩層薄膜還摻入了硅，可以將太陽(yáng)光帶來(lái)的熱量反射回太空里去。要知道朝向深空和朝向太陽(yáng)的兩側(cè)，溫差極限超過(guò)300℃。

按照設(shè)計(jì)，韋布望遠(yuǎn)鏡將被安置在地球第二拉格朗日點(diǎn)上的光暈軌道，圍繞第二拉格朗日點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，故而，太陽(yáng)、月亮、地球都會(huì)一直處于韋布望遠(yuǎn)鏡的同一側(cè)，來(lái)自地球和月亮反射的太陽(yáng)光以及地球和月亮自身的紅外線輻射都可以被這5層遮陽(yáng)的薄膜所隔絕。而位于該區(qū)域還能減少在軌期間燃料用量，并與NASA“深空網(wǎng)絡(luò)”天線保持通信。

“鴿王”誕生記耗資100億美元，發(fā)射延遲10多年

美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年12月24日，耗資100億美元、連續(xù)“放鴿子”10多年后，韋布望遠(yuǎn)鏡終于發(fā)射升空。

這個(gè)被稱(chēng)為未來(lái)10年人類(lèi)觀察宇宙的理想平臺(tái)，由NASA、歐洲航天局和加拿大航天局聯(lián)合建造，從1997年開(kāi)始立項(xiàng)、2004年開(kāi)始建造，發(fā)射時(shí)間從最初的2007年，經(jīng)過(guò)多次延遲最終到2021年12月，中途經(jīng)歷了遮陽(yáng)薄膜實(shí)驗(yàn)破裂、疫情延期、星箭通信故障等波折，預(yù)算投入也從立項(xiàng)時(shí)的5億美元，經(jīng)過(guò)10多次的擴(kuò)充，最終到100億美元——要知道，100億美元可以造大半艘福特級(jí)航母了。

韋布望遠(yuǎn)鏡總重達(dá)6.2噸，由光學(xué)和科學(xué)儀器、遮陽(yáng)板以及被稱(chēng)為“航天器總線”的支持系統(tǒng)等部分組成。其中光學(xué)模塊采用“三反射鏡消像散系統(tǒng)”：被主鏡捕捉的紅外線要經(jīng)過(guò)次鏡和三級(jí)鏡反射，再由精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡傳遞至科學(xué)儀器模塊。直徑達(dá)6.5米的主鏡是韋布望遠(yuǎn)鏡的最亮眼之處，由18塊六邊形鏡片拼接而成，采集光線面積達(dá)到其“前任”也是哈勃望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。次鏡由3個(gè)從主鏡正面延伸出來(lái)的長(zhǎng)臂支撐，三級(jí)鏡和精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內(nèi)。三級(jí)反射鏡制造材料均選用低溫下不易收縮變形的金屬鈹，而鏡片表面噴涂了100納米厚的黃金，以?xún)?yōu)化鏡面反射紅外線的性能。

集成科學(xué)儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無(wú)縫隙光譜儀、中紅外儀等設(shè)備，它們將對(duì)韋布望遠(yuǎn)鏡收集到的光線進(jìn)行分析成像。再加上前文提到的5層“遮陽(yáng)傘”，便構(gòu)成了韋布望遠(yuǎn)鏡碩大的體型。

如此碩大的體型，只能以折疊的狀態(tài)裝進(jìn)阿麗亞娜5型火箭的整流罩內(nèi)，待發(fā)射升空后再打開(kāi)。去年12月24日韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，而到了今年1月8日主鏡才完全打開(kāi)。1月24日，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的飛行，韋布望遠(yuǎn)鏡抵達(dá)距離地面約150萬(wàn)公里的日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)運(yùn)行軌道。又經(jīng)過(guò)了10多天的設(shè)備校準(zhǔn)、調(diào)試后，2月11日，NASA宣布，韋布望遠(yuǎn)鏡傳回了第一批太空照片，拍攝對(duì)象是258光年外大熊星座的一顆恒星。

如今，韋伯望遠(yuǎn)鏡再傳回另一顆恒星照片，與此前發(fā)回的望遠(yuǎn)鏡主鏡18片鏡片分別拍攝的18個(gè)圖像不同，這次拍攝的恒星圖像為18片鏡片統(tǒng)一聚焦生成的一個(gè)圖像。

參與韋布望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的科學(xué)家珍妮·里格比說(shuō)：“你禁不住會(huì)去看它后面數(shù)以千計(jì)的星系，太美了?！?h3>“黃金眼”重任探尋135億年前宇宙第一批恒星

“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在很多方面徹底改變了我們對(duì)太空的了解?！表f布太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)項(xiàng)目副主任卡爾蒂克·謝特表示，“例如，它提供了很多關(guān)于星系如何形成和演化的信息，但它主要還是一個(gè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡有幾部紅外相機(jī)，但它們的靈敏度不夠高，人們需要使用更高靈敏度的紅外設(shè)備。由于宇宙膨脹，第一批天體的光線抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，已經(jīng)偏向電磁光譜的紅色一端。韋布太空望遠(yuǎn)鏡因此應(yīng)運(yùn)而生，它將讓我們看到宇宙很年輕時(shí)的景象?！?/p>

據(jù)NASA介紹，韋布望遠(yuǎn)鏡將觀測(cè)135億多年前宇宙中第一批恒星——宇宙大爆炸后“第一縷光”是如何誕生的，以及第一批星系怎樣形成的。若韋布望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到第一代星系，結(jié)合其他望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙不同時(shí)期各類(lèi)星系的觀測(cè)，天文學(xué)家就能研究星系是如何一步一步成長(zhǎng)的，從而描繪出星系演化的完整圖景。

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