巨鏡“韋伯”即將凌霄

□文/卞毓麟

“韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡

2021年以來(lái)，國(guó)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(shí)間，但“韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡（英文縮略詞JWST，下簡(jiǎn)稱“韋伯”）今年真要一飛沖天了！屆時(shí)，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(gè)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(jì)90年代，起初稱為“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”，2002年又以詹姆斯·韋伯冠名。韋伯是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的第二任局長(zhǎng)，在1961—1968年的任期內(nèi)，卓有成效地領(lǐng)導(dǎo)推進(jìn)了“阿波羅”計(jì)劃和其他一些重大空間探測(cè)項(xiàng)目的實(shí)施。

“韋伯”是NASA、ESA和加拿大空間局（CSA）的合作項(xiàng)目，素有“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡（下簡(jiǎn)稱“哈勃”）繼承者之稱。“哈勃”的主鏡口徑是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?lái)自天體的可見(jiàn)光為主，“韋伯”則基本上是一架空間紅外望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)波段從可見(jiàn)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(diǎn)L2——在日地連線上與太陽(yáng)相反一側(cè)、距離地球約150萬(wàn)千米處……青出于藍(lán)，“韋伯”將完成“哈勃”力所不逮的許多任務(wù)，使人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的立足點(diǎn)更上一個(gè)新臺(tái)階。

日地系統(tǒng)L2點(diǎn)的位置示意圖

研制過(guò)程一波三折

研制空間望遠(yuǎn)鏡從來(lái)不會(huì)一帆風(fēng)順。1975年，科普巨匠阿西莫夫已在《洞察宇宙的眼睛——望遠(yuǎn)鏡的歷史》一書(shū)中向公眾介紹：NASA打算研制一架大型空間望遠(yuǎn)鏡。其實(shí)際進(jìn)程則是：1981年美國(guó)為此組建空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)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(hào)”航天飛機(jī)失事，發(fā)射“哈勃”的計(jì)劃幾近流產(chǎn)。幸好結(jié)局總算順利，1990年4月24日，“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)攜帶“哈勃”順利升空。

“韋伯”的經(jīng)歷更奇特：1997年項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算5億美元，預(yù)期2007年發(fā)射上天；2002年經(jīng)費(fèi)預(yù)算增至25億美元，預(yù)期發(fā)射時(shí)間推遲到2010年；2006年預(yù)算達(dá)到45億美元，發(fā)射時(shí)間更推遲至2014年；2010年預(yù)算達(dá)65億美元，預(yù)期2015—2016年發(fā)射；2013年預(yù)算增至88億美元，預(yù)期2018年發(fā)射；2018年預(yù)算超出88億美元，預(yù)期2020年發(fā)射。在經(jīng)歷各種意外事故、預(yù)算危機(jī)之后，“韋伯”終于箭在弦上，將要上天了。

無(wú)數(shù)的技術(shù)細(xì)節(jié)都必須嚴(yán)格檢驗(yàn)——稱為苛求也不為過(guò)。例如，2017年7月開(kāi)始對(duì)“韋伯”的“光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和集成科學(xué)設(shè)備”（OTIS）模塊進(jìn)行一系列低溫學(xué)真空測(cè)試，歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)近百天。為了能探測(cè)到來(lái)自非常暗弱的遙遠(yuǎn)天體的紅外輻射，整個(gè)“韋伯”必須維持在約40K（約-233℃）的極低溫度，而且它的中紅外設(shè)備（MIRI）還特別需要一個(gè)低溫降溫器，使其溫度降至7K（-266℃）。這些檢測(cè)在NASA約翰遜空間中心的真空室A中進(jìn)行，該真空室的穹窿形密封大門(mén)直徑就達(dá)12米，重達(dá)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(yuǎn)鏡的主鏡，全長(zhǎng)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(yáng)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(hù)望遠(yuǎn)鏡免遭來(lái)自太陽(yáng)、地球和月球（“韋伯”位于日地系統(tǒng)的L2點(diǎn)，故日、地、月三者永遠(yuǎn)處于它的同一側(cè)）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(gè)頭太大了，必須將“沖浪板”和“向日葵”都折疊起來(lái)，才能作為阿麗亞娜5型火箭的“乘客”前往太空。在到達(dá)目的地之后，再通過(guò)約180步的操作重新展開(kāi)。整個(gè)操作流程在前幾年中已演練再三，有一次遮陽(yáng)板壞了，致使一再延期的計(jì)劃再一次延誤。2020年3月，新冠肺炎疫情又使望遠(yuǎn)鏡的組裝和檢測(cè)被迫推遲。

各種科學(xué)設(shè)備組裝在一起的“韋伯”，要在美國(guó)加利福尼亞州的諾斯洛普·格魯門(mén)公司與飛船部分（即組裝在一起的太陽(yáng)帆和船艙）相整合，進(jìn)行更廣泛的最終測(cè)試。此事也已順利完成。

不言而喻，“韋伯”的研制團(tuán)隊(duì)會(huì)充分吸取“哈勃”的種種經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。例如，人們記憶猶新，“哈勃”曾因一個(gè)低級(jí)錯(cuò)誤而導(dǎo)致成像質(zhì)量不佳，后來(lái)NASA于1993年12月2日用“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)將7名宇航員送入太空前往修復(fù)。他們給“哈勃”裝上一個(gè)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(zhì)量極佳。這樣的錯(cuò)誤決不容許在“韋伯”身上重演，因?yàn)橛詈絾T不可能親臨遠(yuǎn)離地球150萬(wàn)千米的日地系統(tǒng)L2點(diǎn)去維修。如何杜絕此類(lèi)隱患，“韋伯”已有許多預(yù)案和舉措。

“韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡的遮陽(yáng)板

將會(huì)帶來(lái)何等驚喜

在到達(dá)日地系統(tǒng)L2點(diǎn)之后，“韋伯”還要進(jìn)行一系列調(diào)試才能正式開(kāi)展工作。天文學(xué)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(dāng)代天文學(xué)能夠言之成理地推斷，宇宙大爆炸之后過(guò)了幾億年，第一批恒星和星系開(kāi)始誕生。但是，這一切究竟是如何發(fā)生的？揭秘其詳情細(xì)節(jié)，就應(yīng)該是“韋伯”一顯身手的用武之地。

再如探索系外行星——太陽(yáng)系外環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的行星，也是當(dāng)下天文學(xué)的熱門(mén)研究領(lǐng)域。今天，天文學(xué)家探測(cè)到的系外行星已經(jīng)數(shù)以千計(jì)，它們將是“韋伯”傾情關(guān)注的對(duì)象，尤其是與我們地球相似度很高的那些星球，會(huì)不會(huì)有生命棲居？就此而言，特別值得期待的或許當(dāng)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(xiàn)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(zhì)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(huì)瞥見(jiàn)什么樣的新天體，或許會(huì)看到什么樣的新現(xiàn)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(xiàn)，且讓我們拭目以待吧！