韋伯望遠(yuǎn)鏡即將發(fā)射 梭哈百億美元上天，是為了看啥？

筆者第一次聽到詹姆斯·韋伯天文望遠(yuǎn)鏡，是在童年時(shí)期的科普讀物《天文愛好者》中。經(jīng)過25年的籌備，歷經(jīng)數(shù)十次延期與追加幾十億美元的投資后，根據(jù)NASA的官方消息，這架望遠(yuǎn)鏡終于被運(yùn)送至法國圭亞那庫魯發(fā)射場，預(yù)計(jì)于2021年12月25日發(fā)射。

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這座20世紀(jì)90年代開始立項(xiàng)，原計(jì)劃于2007年發(fā)射的頂尖天文望遠(yuǎn)鏡，擔(dān)負(fù)著探尋宇宙邊界、尋找大爆炸初期殘留在宇宙邊緣紅外線的重要任務(wù)。

Part.1

梭哈百億美元上天，到底是為了看啥？

1996年，在聯(lián)邦太空探索計(jì)劃的支持下，美國宇航局、歐洲航天局與加拿大航天局展開國際合作項(xiàng)目，計(jì)劃研究并發(fā)射“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”。

2002年9月，這一項(xiàng)目以前美國宇航局局長詹姆斯·韋伯的名字重新命名，這便是天文學(xué)界大名鼎鼎的“詹姆斯·韋伯天文望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目。

韋伯工作的地方在太空之中，距離地球150萬公里的拉格朗日2點(diǎn)處。之所以選擇這么遠(yuǎn)的地方，和韋伯的特殊任務(wù)有關(guān)。

在天文學(xué)的研究中，紅外觀測是研究太空深處變化至關(guān)重要的一環(huán)。宇宙的真空中遍布著由天體運(yùn)動(dòng)變化所形成的塵埃團(tuán)，這些塵埃能夠吸收大部分的可見光，并遮蓋住隱藏在背后的大量恒星與行星。而星體發(fā)射出的紅外光能夠穿透這團(tuán)灰塵，幫助天文學(xué)界揭示隱藏在塵埃之后的奧秘。

在宇宙中捕捉星體發(fā)射的紅外光并非易事，特別是觀測的目標(biāo)比較遙遠(yuǎn)時(shí)。由于光源物體遠(yuǎn)離觀測者運(yùn)動(dòng)，觀察到的電磁輻射頻率會(huì)因此降低，從而產(chǎn)生“紅移”現(xiàn)象，即光源物體光譜會(huì)從高能量的紫外線及可視光頻段減少至低能量的近紅外段。

因此，對這些遙遠(yuǎn)目標(biāo)（例如宇宙最初星系）的觀測需要超高精度紅外望遠(yuǎn)鏡。這要求韋伯望遠(yuǎn)鏡必須足夠大，并采用無鏡筒的開放式設(shè)計(jì)。

哈勃對猴頭星云的可見光（左）和紅外視圖（右）的對比。紅外視圖能夠觀測到更多的星系

（圖片來源：NASA）

在觀測宇宙大爆炸起源的第一代恒星時(shí)，由于紅移效應(yīng)的存在，0.5微米的可見光會(huì)紅移至10微米的波段，且任何的可見光都會(huì)對其產(chǎn)生影響。由于地球發(fā)射的紅外光峰值也在10微米左右，這意味著地球本身就是一個(gè)強(qiáng)烈的紅外光污染源。

同時(shí)，這座望遠(yuǎn)鏡必須在零下220度左右運(yùn)行，以避免望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部零件溫度輻射對紅外信號(hào)的干擾。

拉格朗日點(diǎn)是太陽系中行星體引力產(chǎn)生平衡的點(diǎn)，在這一位置運(yùn)行的物體會(huì)維持其穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并與地球同步進(jìn)行公轉(zhuǎn)。在這一點(diǎn)韋伯望遠(yuǎn)鏡的單向太陽盾能夠同時(shí)阻擋來自太陽、地球和月球的光污染，獲得更高精度的光譜觀測結(jié)果。

韋伯將在距離地球150萬公里的拉格朗日2點(diǎn)（L2）處繞太陽運(yùn)行，并與地球保持同步。

（圖片來源：NASA）

韋伯望遠(yuǎn)鏡是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射成功后，它將成為哈勃望遠(yuǎn)鏡的替代者與繼任者。同時(shí)，韋伯能夠探索到更長的光學(xué)波長，將超越哈勃的現(xiàn)有工作。

但是，由于拉格朗日點(diǎn)不在任何載人航天載具的運(yùn)行范圍（40萬公里）內(nèi)，這意味著如果出意外，沒法對韋伯望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修。所有的發(fā)射、展開與部署任務(wù)必須自行完成且一次成功，一經(jīng)“出廠”終生不維護(hù)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡的總投入已超過88億美元，這無疑是一次“百億美元”級(jí)的豪賭。在NASA研究者的預(yù)想中，這架價(jià)值百億美元的望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)使用壽命是五年。

Part.2

龐大的硬核科技：韋伯聚集了人類最為極限的工藝結(jié)晶

為了探索宇宙大爆炸起源，韋伯望遠(yuǎn)鏡聚集了人類現(xiàn)能達(dá)到的極致工藝水準(zhǔn)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)觀測主鏡、一個(gè)網(wǎng)球場大小的五層太陽盾遮光板、以及包含觀測設(shè)備在內(nèi)的四臺(tái)頂級(jí)儀器組成。

它的主鏡片直徑為6.5米，受限于火箭尺寸，這一鏡片被細(xì)分為18面六邊形分鏡。為了抵御零下220度鏡面的變形，鏡片使用堿土金屬鈹進(jìn)行制作，這一核心材料具有極強(qiáng)的抗彎剛度、極高的熱穩(wěn)定性、極好的熱導(dǎo)率與極低的密度。

同時(shí)，鏡面加工的拋光誤差被控制在10納米內(nèi)，約等于數(shù)十個(gè)鈹原子的長度。在這些鏡片表面上，使用了黃金蒸發(fā)再凝固的極致工藝，鍍上了一層標(biāo)準(zhǔn)120納米厚度的黃金涂層。為了對10納米內(nèi)的微小形變進(jìn)行校正，工程師還在子鏡片后加裝了7個(gè)微型電機(jī)，通過調(diào)節(jié)子鏡面的曲率與方位來保證鏡片的極致平整。

（圖源：NASA）

為了最大限度地隔絕來自太陽與地球的紅外輻射污染，工程師為韋伯望遠(yuǎn)鏡配備了300平米面積的五層太陽盾。這一太陽盾由電鍍形成的硅膜與鋁膜組成，其厚度約為25微米至50微米之間，大約是人頭發(fā)粗細(xì)的1/3左右。

這五層經(jīng)過細(xì)致加工的太陽盾，能夠?qū)⑻栞椛渌p近百萬次，并在正面與背面形成300攝氏度的溫差，從而將望遠(yuǎn)鏡的工作溫度始終維持在零下230攝氏度左右。

（圖片來源：NASA）

此外，設(shè)備內(nèi)部還配置了一臺(tái)用于記錄微弱信號(hào)的光譜儀、一臺(tái)能夠同時(shí)觀測100個(gè)目標(biāo)的可編程微快門照相機(jī)、一臺(tái)能夠?qū)囟冉档椭两咏^對零度的冷卻器、以及一臺(tái)低溫下工作的高敏度紅外線傳感器。

抵達(dá)工作點(diǎn)后，韋伯望遠(yuǎn)鏡會(huì)花費(fèi)數(shù)十日的時(shí)間，從壓縮包展開成為一個(gè)網(wǎng)球場大小的龐然大物。

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡以其頂尖的加工工藝與高昂的造價(jià)，成為了人類航空航天與天文領(lǐng)域歷史上排名前五的項(xiàng)目。極致的技術(shù)參數(shù)使它能夠傲視此前所有的太空望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)其有望將目前人類可觀測的宇宙半徑460億光年進(jìn)一步擴(kuò)大，并推進(jìn)至宇宙時(shí)空的邊緣。

Part.3

緊隨其后：中國未來的空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡

空間光學(xué)望遠(yuǎn)鏡因其觀測環(huán)境純粹、受干擾小，是現(xiàn)代天文學(xué)發(fā)展的絕對主力。

雖然我國的深空探測起步較晚，但發(fā)展速度不容小覷。

中科院經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)積累與探索，成功立項(xiàng)的空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(xiàng)擬發(fā)射4顆衛(wèi)星，其中第一顆于2015年升空的探測衛(wèi)星悟空號(hào)造價(jià)1億美元，成功完成了我國在深空暗物質(zhì)探測領(lǐng)域的重大突破。

與此同時(shí)，陸續(xù)開展進(jìn)行的天眼FAST與嫦娥工程探月項(xiàng)目，也標(biāo)志著我國深空探索的諸多新成就。

預(yù)計(jì)到2024年左右，我國計(jì)劃發(fā)射“巡天”光學(xué)艙平臺(tái)，并與中國空間站共用軌道。這臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率與哈勃望遠(yuǎn)鏡類似，預(yù)計(jì)視場為哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍。

此外，中科院啟動(dòng)了計(jì)劃2027年發(fā)射“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振天文臺(tái)”（eXTP）的規(guī)劃，計(jì)劃建造全球頂尖的旗艦級(jí)天文臺(tái)。這將成為我國天文望遠(yuǎn)鏡研究的里程碑，并起到后發(fā)先至的效果。

道阻且長，但人類探索宇宙的腳步不止。

參考文獻(xiàn)：

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