揭开天文学新纪元的詹姆斯·韦伯空间望远镜即将升空

时间：2020-12-08 20:09:44　来源：雅意学习网本文已影响人

　　美国航空航天局当然知道，哈勃空间望远镜的设计寿命只有25年，这还是一切顺利的乐观估计。因此，实际的使用情况已经令美国航空航天局很满意了，而确定“哈勃”继承者的计划，早在“哈勃”还未上天就已经立项酝酿了。只是因为詹姆斯·韦伯空间望远镜耗资巨大，几次超出原有预算，最后不得不与欧洲空间局寻求合作，所以延误了一些时间。
　　近日，詹姆斯·韦伯空间望远镜的最后一块镜面已经安装到位，接下来将进入发射升空前的最后检查调试阶段，2018年将择机发射升空。天文学家相信，造价接近百亿美元的詹姆斯·韦伯空间望远镜一定会揭开人类天文学的新篇章。

“韦伯”肩负的新使命

　　为了尽快看到宇宙大爆炸之初的情形，人类需要一个比“哈勃”更“火眼金睛”的探测使者深入太空。不仅能探测到宇宙初生时的景象，运气好的话，这“火眼金睛”还能深入地探测到大爆炸后形成的第一颗恒星的爆炸，还能解开银河系最近星系的起源，观测到孕育了恒星和附属行星的星云。而这些，都是科学家急于解开的天文学之谜。
　　为了达成这一目的，美国航空航天局和欧洲空间局要求詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜面足够大，大到能捕获来自第一代星系发出的微弱的光。除此以外，这个望远镜还必须能抵御极低的温度，因为在低于-223℃的环境中，望远镜本身的红外热辐射会掩盖掉微弱的光量子——就像我们无法在灯火通明的地方看到萤火虫的荧光一样。另外，为了使其不要像哈勃空间望远镜那样时
　　不时需要调整，再加上低温的需求，项目组决定将这个“火眼金睛”安置在地球以外150万千米轨道的第二拉格朗日点上。这是因为第二拉格朗日点是太阳和地球万有引力叠加产生的稳定区域，位于此点的航天器都处于地球投射的阴影之下，在这里，更容易让航天器保持低温。而在这样的低温下，詹姆斯·韦伯空间望远镜才能探测到已在宇宙中漫游了130亿年的光线和热量的痕迹。
　　“韦伯”望远镜项目的首席科学家丹尼尔·戈登最初将主镜面设计直径确定为8米，之后因大大超出预算，不得不将主镜面缩小为6.5米，这也是观测到宇宙大爆炸的第一缕光线的最低要求了。即便如此，它的主镜面直径已经是哈勃空间望远镜的3倍了，面积是后者的5倍以上。此外，项目组决定用铍元素来制造反光镜面，以使詹姆斯·韦伯空间望远镜的探测效果达到设计要求。
　　设计团队面临的难题是：超大块头的主镜片、高灵敏光探测仪以及制冷系统，以便将它保持在-223℃的极端低温以下。一旦发射，毫无退路，要么旗开得胜，要么一败涂地，一切的一切必须确保万无一失，一次成功。因为它位于距离地球约150万千米的上空，这一距离是地月距离的4倍，根本没有维修的可能。

虽已精益求精，仍需好运眷顾

　　詹姆斯·韦伯空间望远镜的质量为6.2吨，约为“哈勃”的1/2，但它体积庞大，无法整体发射升空。借鉴了航母舰载机折叠翅膀的做法，科学家计划将它折叠起来以便装入一枚“阿里亚娜”5型火箭狭窄的货运舱，这就对它的重量和尺寸提出了严格的要求。于是，詹姆斯·韦伯空间望远镜的主镜面被分割成18块，每块镜片背部都装有7个马达，能够在10纳米的精度内调整镜片的形状和朝向。发射升空后，这些镜片会在高精度的微型马达和波面传感器的控制下展开。仅此一项，就让光学技术专家承受了前所未有的压力。
　　我们再来看看詹姆斯·韦伯空间望远镜被分割成18块的六角形镜片。它的每个镜面的抛光误差不得超过10纳米，同时必须经过专門琢磨，使其能够在遮阳板阴影的极度严寒环境中保持正确形状。在计划的早期，天文学家曾设想可以使用超低膨胀玻璃，在温度改变时它的形变很小。但经过反复计算，就是这很小的形变也足以使望远镜完全失效。因此，项目组最终选择了铍作为镜片的材料。
　　选择铍作为镜面材料，就意味着要花更多的设计时间，因为铍需要更多的时间去抛光。从6年前开始，美国航空航天局的工程师就开始为每一块镜片进行涂层处理，要涂上厚度仅120纳米的约3.7克黄金——120纳米只有一个人头发直径的1/200。涂层一直到2016年年底才全部完成。
　　但是，令制造团队备感不安的是，现在仍有一个测试无法进行，即展开巨型遮阳板的过程。詹姆斯·韦伯空间望远镜的巨型遮阳板有19米长、11米宽，美国航空航天局没有足够大的低温真空舱对其进行测试。假如它无法正常展开，那么太阳的热量将使仪器设备无法探测绝大部分目标天体。无法解脱的困局使美国航空航天局不得不采用了相对冒险的方法，那就是只测试望远镜的关键部件而不进行整体测试。最终结果如何，只能祈求上帝保佑了。
　　由此可见，再缜密前卫的科学壮举，也需要一点好运的眷顾。
　　尽管如此，丹尼尔·戈登仍显得信心十足，他最大的愿望就是詹姆斯·韦伯空间望远镜这个具有红外线视觉的强大“时间机器”。在詹姆斯·韦伯空间望远镜开始工作后，不仅能够窥探135亿年前的宇宙状况，发现宇宙最早期在黑暗之中诞生的第一批恒星和星系，还会对人类搜寻外星生命做出具有里程碑意义的贡献。

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