天文学家热情期盼詹姆斯·韦伯太空望远镜升空

如果这样一个强大的工具被送入太空，谁能预测我们会发现什么？它将带来天文学的一场革命，因为它是如此强大。

詹姆斯·韦伯望远镜的模拟。来源:百度

在美国戈达德太空飞行中心29号塔楼内连续工作了几个月后，位于詹姆斯·韦伯太空望远镜(韦伯)核心的四个科学仪器被密封在一个看起来像房子的“高压锅”里。随着真空泵有节奏的啁啾声，“压力锅”内部的压力就像是在太空中一样，只有一个大气压的1/100亿，而氦气将其温度降低到零下250摄氏度。它的内部仪器被拴在框架上，框架将被用来在未来将它们固定在太空中，并沉浸在红外光中，红外光有时被聚集，有时被分散，以检测其反应。

把整个项目比作高压锅是恰当的。韦伯是美国宇航局迄今为止试图建造的最大、最复杂、最昂贵的科学任务。天文学家和公众对此有很高的期望。韦伯的灵敏度将是哈勃太空望远镜的100倍。它将能够看到宇宙“婴儿期”最早的星系形成，研究恒星及其行星系统的诞生，分析系外行星的大气，甚至探测生命迹象。“如果这样一个强大的工具被送入太空，谁能预测我们会发现什么？它将带来天文学的一场革命，因为它是如此强大。”韦伯科学家、华盛顿大学天文学研究协会主任马特·芒廷说。

一个大项目

20世纪90年代中期，当哈勃在调整其透镜后忙于创新天文学时，研究人员开始为其继任者做计划。当时，美国宇航局局长丹尼尔·戈尔丁提出了“更快、更好、更便宜”的诱人口号。戈尔丁向美国宇航局的工程师和天文学家提出了一个非常具有挑战性的后续任务，即建造一个直径为8米的望远镜，它比哈勃便宜，但比哈勃大。当他在1996年向美国天文学会提出这个计划时，受到了科学家们的热烈欢迎。然而，哈勃只覆盖了可见光的全部范围以及少量的紫外线和红外线，而当时提出的下一代太空望远镜是一个特殊的红外天文观测台。

对天文学家来说，红外光谱是当时令人兴奋的前沿研究。宇宙中最遥远的天体发出的可见光(来自宇宙大爆炸后形成的最早恒星和星系的光)随着宇宙的膨胀而延伸得太多，最后到达地球时只停留在红外光谱区。太阳系外行星大气中的许多化学信号也表明它们处于红外波段。然而，地球大气层阻挡了大多数红外光。戈达德仪器有效载荷科学家马特·温室说，韦伯将提供“第一个中红外波段最清晰的宇宙视觉图像”。

然而，和哈勃一样，韦伯的建筑也经历了重复设计、施工延误、预算超支和其他问题，这些问题使得加拿大与欧洲承包商和合作伙伴之间的关系紧张，尤其是与美国国会支持者之间的关系。由于韦伯使用了可用的资源，许多其他项目不得不推迟或搁置。尽管该项目近期的进展和支出基本保持在设定的日期内，预算约为80亿美元，但2010年和2011年的危机几乎导致该项目被取消。

预计到2018年底，韦伯将能够从距离地球150万公里的地方返回信息，但在此之前仍有许多地方可能会出现错误。它仍然面临着许多发射压力，例如如何在发射时将透镜和光罩从蛹态完全打开，以及它的许多尖端技术可能会失败。只有当韦伯打开他的“眼睛”，成功地聚焦在第一颗星星上，压力才会被释放。

这是前所未有的挑战。

为了捕捉这种光，美国宇航局的工程师需要克服许多困难的挑战。第一个是热:为了防止来自望远镜的红外光淹没天文信号，韦伯需要在零下233摄氏度工作，这仅仅比绝对零度(大约零下273.15摄氏度)高40摄氏度，这需要一个全新的仪器设计。体积和重量的限制造成了另一个障碍:直径为8米的望远镜在任何情况下都不能放在火箭整流罩内，所以发射时需要折叠起来。

遮光板也需要是可折叠的，并且由超轻薄膜材料制成。此外，望远镜的结构需要绝对刚性，但同时它需要足够轻，以将整个天文台的重量限制在6吨，这仅仅是同样大小的地面望远镜重量的百分之几。美国宇航局韦伯项目主管埃里克·史密斯说，人们知道“可能需要发明10项新技术”才能使望远镜工作。

以镜面为例。哈勃望远镜仅由一个玻璃制成，而韦伯的折叠镜面需要由六边形工件组装而成。这种设计通常用在许多*地面望远镜项目中，例如夏威夷的凯克望远镜天文台。镜子材料的选择也是一个挑战，需要经得起严峻的考验。因为任何材料在变冷时都会改变形状，所以每个组件都需要确保在室温下光学形状是错误的，但是当温度达到零下233摄氏度时，它可以改变成正确的光学形状，并且误差应该控制在纳米级水平。为了实现这一目标，镜面制造者必须将复杂的计算机模型与研磨、冷却、测量、加热、再研磨和再冷却的复杂过程结合起来。

事实上，韦伯的最终设计没有达到美国宇航局最初的雄心。从2001年开始，由于对望远镜不断增长的建造成本的担忧，美国宇航局将原来直径为8米的镜头缩小到直径为6.5米，将镜子组件的数量从36个减少到18个，并将聚光面积从50平方米减少到25平方米。然而，评估小组相信韦伯仍然能够实现他的科学目标。为了进一步降低成本，美国宇航局决定使用精度较低的镜头，这样可以减少生产过程中大量的冷却-加热-研磨过程。这一变化将使韦伯在近红外波段的灵敏度降低2微米，但这并不是很大的损失，因为地面望远镜已经覆盖了这个波段。

期待着发射

到2006年，韦伯的所有关键技术都已经过测试和验证是可行的。最终设计也已起草，项目组装阶段已经开始。为了将韦伯的巨大镜子放入隧道，德克萨斯州休斯顿约翰逊航天中心的工程师们彻底改造了仓库A，一个用于测试阿波罗载人飞船的巨大低温真空室。

该项目有效载荷仪器的飞行模式于2012年设计并完成:由欧空局、美国航天局、亚利桑那大学和加拿大航天局建造的四个红外成像仪和分光计。一旦这些仪器被固定在一个刚性框架上，它们将通过模拟发射时的状态而剧烈振动，并且还将经受高达150分贝的噪声测试。下面是第一次模拟太空环境的低温真空试验。

然而，问题随之而来。冷热温差导致构成红外探测器的精密多层半导体在膨胀后分裂。另一项关键技术——近红外波段的“微型快门”阵列也遭到了挫败。仪器团队和制造商聚集在一起分析问题并生产新零件。与此同时，相关测试仍在继续。在最近的CV3测试中，所有替换组件都被收集在一起。今年1月底的最新测试结果非常令人鼓舞，改进的部分发挥了作用。"我们对这次测试的表现非常满意。"亚利桑那大学图尔德天文台的天文学家玛西娅·里克说，“我们离准备发射的日子很近了。”

现在，仪器已经过测试，镜头已经组装好了。这两个元素将在三月份组装和匹配。随后，组合望远镜和仪器包(统称为奥的斯)将在安装到专门建造的舱室之前进行振动和声学测试。然后，在一个安静的夜晚，一辆卡车将小心翼翼地把机舱从戈达德中心运送到安德鲁斯联合基地，在那里它将被放入一架巨大的C-5卫星运输机，然后被运送到休斯顿。

现在韦伯太大了，装不下飞机，所以它将被用船从加利福尼亚海岸经*运河运到法属圭亚那，欧洲航天发射中心，与欧洲制造的阿丽亚娜5号运载火箭会合。2018年10月，阿丽亚娜5号将带韦伯到离地球150万公里的重力平衡点L2，它的旅程将需要29天。

一旦韦伯到达设定的空间位置，他将部署它的相关组件。芒廷说，部署将需要“三个可怕的星期”。“以前没有人做过这样的事。”压力将是无情的，但韦伯的建设者说，他们将有时间思考他们在做什么。

荷兰欧空局韦伯项目科学家皮埃尔·费鲁伊特说:“即使对参与这次任务的人来说，这也是不可思议的。”里克也有同样的感受:“见证这样的历史真是令人激动。”(李冯公主)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2016年3月7日)

阅读更多

科学相关报道