申衛(wèi)峰

美國當(dāng)?shù)貢r間3月16日，美國國家航空航天局（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)家激動不已。不過，這次發(fā)布的恒星照片是在望遠(yuǎn)鏡調(diào)試過程中拍攝的測試照片，并非正式觀測照片。

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

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（下稱哈勃望遠(yuǎn)鏡）。從那時起，這架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為人類天文學(xué)事業(yè)提供了很多前所未見的觀測結(jié)果。但由于其最初性能不佳，1993年12月，NASA不得不派航天飛機上去維修。

不過，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”委員會，評估維修任務(wù)的可行性，以及假如維修失敗，下一代太空望遠(yuǎn)鏡的建造問題。然而，維修行動成功了。這個委員會的任務(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)鏡主要針對可見光、近紫外線和近紅外波段進(jìn)行觀測，但太空中很多天體的溫度很低（比如行星或塵埃盤），其發(fā)出的光輻射波長很長，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。要完成對這些天體的觀測，需要一種更冷、更大的望遠(yuǎn)鏡。

哈勃望遠(yuǎn)鏡工作時的溫度一般維持在15℃左右，而韋布望遠(yuǎn)鏡為了能觀測設(shè)計目標(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溫控對紅外相機進(jìn)行制冷。與此同時，由于韋布望遠(yuǎn)鏡工作時也會發(fā)熱，其產(chǎn)生的熱紅外線將很容易淹沒想要觀測的外界紅外線。因此，科學(xué)家為了實現(xiàn)觀測條件，給韋布望遠(yuǎn)鏡蓋上了5層厚厚的“遮陽傘”——聚亞胺薄膜。這5層薄膜，每一層面積接近網(wǎng)球場大小，卻只有頭發(fā)絲的厚度，每層薄膜兩面鍍鋁，以反射光和熱，最靠近向陽面的兩層薄膜還摻入了硅，可以將太陽光帶來的熱量反射回太空里去。要知道朝向深空和朝向太陽的兩側(cè)，溫差極限超過300℃。

按照設(shè)計，韋布望遠(yuǎn)鏡將被安置在地球第二拉格朗日點上的光暈軌道，圍繞第二拉格朗日點做圓周運動，故而，太陽、月亮、地球都會一直處于韋布望遠(yuǎn)鏡的同一側(cè)，來自地球和月亮反射的太陽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

美國當(dāng)?shù)貢r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。

這個被稱為未來10年人類觀察宇宙的理想平臺，由NASA、歐洲航天局和加拿大航天局聯(lián)合建造，從1997年開始立項、2004年開始建造，發(fā)射時間從最初的2007年，經(jīng)過多次延遲最終到2021年12月，中途經(jīng)歷了遮陽薄膜實驗破裂、疫情延期、星箭通信故障等波折，預(yù)算投入也從立項時的5億美元，經(jīng)過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、遮陽板以及被稱為“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)過次鏡和三級鏡反射，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個從主鏡正面延伸出來的長臂支撐，三級鏡和精細(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，以優(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、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀、中紅外儀等設(shè)備，它們將對韋布望遠(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。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。1月24日，經(jīng)過一個月的飛行，韋布望遠(yuǎn)鏡抵達(dá)距離地面約150萬公里的日地系統(tǒng)第二拉格朗日點運行軌道。又經(jīng)過了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)一聚焦生成的一個圖像。

參與韋布望遠(yuǎn)鏡項目的科學(xué)家珍妮·里格比說：“你禁不住會去看它后面數(shù)以千計的星系，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太空的了解。”韋布太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)項目副主任卡爾蒂克·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，但它主要還是一個光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡有幾部紅外相機，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，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)運而生，它將讓我們看到宇宙很年輕時的景象?！?/p>

據(jù)NASA介紹，韋布望遠(yuǎn)鏡將觀測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)鏡探測到第一代星系，結(jié)合其他望遠(yuǎn)鏡對宇宙不同時期各類星系的觀測，天文學(xué)家就能研究星系是如何一步一步成長的，從而描繪出星系演化的完整圖景。

◎ 來源|深圳特區(qū)報