揭開天文學(xué)新紀(jì)元的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡即將升空

蘇光路

美國航空航天局當(dāng)然知道，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計壽命只有25年，這還是一切順利的樂觀估計。因此，實際的使用情況已經(jīng)令美國航空航天局很滿意了，而確定“哈勃”繼承者的計劃，早在“哈勃”還未上天就已經(jīng)立項醞釀了。只是因為詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡耗資巨大，幾次超出原有預(yù)算，最后不得不與歐洲空間局尋求合作，所以延誤了一些時間。

近日，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的最后一塊鏡面已經(jīng)安裝到位，接下來將進入發(fā)射升空前的最后檢查調(diào)試階段，2018年將擇機發(fā)射升空。天文學(xué)家相信，造價接近百億美元的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡一定會揭開人類天文學(xué)的新篇章。

“韋伯”肩負(fù)的新使命

為了盡快看到宇宙大爆炸之初的情形，人類需要一個比“哈勃”更“火眼金睛”的探測使者深入太空。不僅能探測到宇宙初生時的景象，運氣好的話，這“火眼金睛”還能深入地探測到大爆炸后形成的第一顆恒星的爆炸，還能解開銀河系最近星系的起源，觀測到孕育了恒星和附屬行星的星云。而這些，都是科學(xué)家急于解開的天文學(xué)之謎。

為了達成這一目的，美國航空航天局和歐洲空間局要求詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的鏡面足夠大，大到能捕獲來自第一代星系發(fā)出的微弱的光。除此以外，這個望遠(yuǎn)鏡還必須能抵御極低的溫度，因為在低于-223℃的環(huán)境中，望遠(yuǎn)鏡本身的紅外熱輻射會掩蓋掉微弱的光量子——就像我們無法在燈火通明的地方看到螢火蟲的熒光一樣。另外，為了使其不要像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡那樣時

不時需要調(diào)整，再加上低溫的需求，項目組決定將這個“火眼金睛”安置在地球以外150萬千米軌道的第二拉格朗日點上。這是因為第二拉格朗日點是太陽和地球萬有引力疊加產(chǎn)生的穩(wěn)定區(qū)域，位于此點的航天器都處于地球投射的陰影之下，在這里，更容易讓航天器保持低溫。而在這樣的低溫下，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡才能探測到已在宇宙中漫游了130億年的光線和熱量的痕跡。

“韋伯”望遠(yuǎn)鏡項目的首席科學(xué)家丹尼爾·戈登最初將主鏡面設(shè)計直徑確定為8米，之后因大大超出預(yù)算，不得不將主鏡面縮小為6.5米，這也是觀測到宇宙大爆炸的第一縷光線的最低要求了。即便如此，它的主鏡面直徑已經(jīng)是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的3倍了，面積是后者的5倍以上。此外，項目組決定用鈹元素來制造反光鏡面，以使詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的探測效果達到設(shè)計要求。

設(shè)計團隊面臨的難題是：超大塊頭的主鏡片、高靈敏光探測儀以及制冷系統(tǒng)，以便將它保持在-223℃的極端低溫以下。一旦發(fā)射，毫無退路，要么旗開得勝，要么一敗涂地，一切的一切必須確保萬無一失，一次成功。因為它位于距離地球約150萬千米的上空，這一距離是地月距離的4倍，根本沒有維修的可能。

雖已精益求精，仍需好運眷顧

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量為6.2噸，約為“哈勃”的1/2，但它體積龐大，無法整體發(fā)射升空。借鑒了航母艦載機折疊翅膀的做法，科學(xué)家計劃將它折疊起來以便裝入一枚“阿里亞娜”5型火箭狹窄的貨運艙，這就對它的重量和尺寸提出了嚴(yán)格的要求。于是，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡面被分割成18塊，每塊鏡片背部都裝有7個馬達，能夠在10納米的精度內(nèi)調(diào)整鏡片的形狀和朝向。發(fā)射升空后，這些鏡片會在高精度的微型馬達和波面?zhèn)鞲衅鞯目刂葡抡归_。僅此一項，就讓光學(xué)技術(shù)專家承受了前所未有的壓力。

我們再來看看詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡被分割成18塊的六角形鏡片。它的每個鏡面的拋光誤差不得超過10納米，同時必須經(jīng)過專門琢磨，使其能夠在遮陽板陰影的極度嚴(yán)寒環(huán)境中保持正確形狀。在計劃的早期，天文學(xué)家曾設(shè)想可以使用超低膨脹玻璃，在溫度改變時它的形變很小。但經(jīng)過反復(fù)計算，就是這很小的形變也足以使望遠(yuǎn)鏡完全失效。因此，項目組最終選擇了鈹作為鏡片的材料。

選擇鈹作為鏡面材料，就意味著要花更多的設(shè)計時間，因為鈹需要更多的時間去拋光。從6年前開始， 美國航空航天局的工程師就開始為每一塊鏡片進行涂層處理，要涂上厚度僅120納米的約3.7克黃金——120納米只有一個人頭發(fā)直徑的1/200。涂層一直到2016年年底才全部完成。

但是，令制造團隊備感不安的是，現(xiàn)在仍有一個測試無法進行，即展開巨型遮陽板的過程。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的巨型遮陽板有19米長、11米寬，美國航空航天局沒有足夠大的低溫真空艙對其進行測試。假如它無法正常展開，那么太陽的熱量將使儀器設(shè)備無法探測絕大部分目標(biāo)天體。無法解脫的困局使美國航空航天局不得不采用了相對冒險的方法，那就是只測試望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵部件而不進行整體測試。最終結(jié)果如何，只能祈求上帝保佑了。

由此可見，再縝密前衛(wèi)的科學(xué)壯舉，也需要一點好運的眷顧。

盡管如此，丹尼爾·戈登仍顯得信心十足，他最大的愿望就是詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡這個具有紅外線視覺的強大“時間機器”。在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡開始工作后，不僅能夠窺探135億年前的宇宙狀況，發(fā)現(xiàn)宇宙最早期在黑暗之中誕生的第一批恒星和星系，還會對人類搜尋外星生命做出具有里程碑意義的貢獻。