世界知识从哈勃到韦伯，人类望向宇宙更深处

　　作者：兰顺正
　　首发自：《世界知识》
　　2021年12月25日圣诞节当天，备受全球天文届瞩目的＂詹姆斯·韦伯＂空间望远镜在法属圭亚那群岛库鲁基地由欧洲阿里亚娜航天公司的＂阿里亚娜5ECA+＂型运载火箭发射升空，人类探索宇宙的壮举迈上新台阶。
　　美国宇航局（NASA）公布的＂韦伯＂望远镜成功部署后的效果图。
　　＂哈勃＂望远镜的＂继承人＂
　　在了解韦伯望远镜之前，先让我们简单回顾一下它的＂前辈＂——＂哈勃＂太空望远镜。＂哈勃＂望远镜是1990年4月24日由＂发现号＂航天飞机在美国肯尼迪航天中心成功发射升空的，32年来虽然经历过很多曲折（如升空后第一张照片过于模糊，直到1993年修复了主镜缺陷并更换相关仪器后才有所改善），但也拍摄到大量令人震撼的宇宙照片，在人类天文观测史上留下了浓墨重彩的一页。
　　据估计，＂哈勃＂望远镜能够工作到2030年代甚至更久。然而，＂哈勃＂望远镜的兢兢业业无法改变其日益老化的事实，尤其是最近一段时间，＂哈勃＂身上的计算机时常出现问题，为其准备＂接班人＂就显得势在必行。
　　其实在＂哈勃＂望远镜升空前一年，也就是1989年，为其建造＂继任者＂的项目就已经被提出，当时该项目的名称叫＂下一代空间望远镜＂（NGST，Next Generation Space Telescope）。经过激烈角逐，美国TRW公司（仅次于洛克希德·马丁的美国第二大航天制造商）于2002年获得了美国宇航局（NASA）授予的8.25亿美元合同，负责建造＂韦伯＂太空望远镜。按照原先的计划，＂韦伯＂定于2007年发射，但随后由于TRW公司被收购和项目超支、新冠疫情等种种因素，发射时间一推再推，最后推到了2021年，造价也涨到了百亿美元。
　　太空中的＂黄金眼＂
　　＂韦伯＂望远镜以NASA第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名，以纪念他对＂阿波罗＂登月计划做出的重要贡献。＂韦伯＂望远镜的质量约为6.5吨，仅相当于＂哈勃＂望远镜的一半，体积却比＂哈勃＂大很多。
　　相比＂哈勃＂的传统造型，＂韦伯＂望远镜好似一副空架子上镶嵌着一个裸露镜片。＂光学望远镜模块＂（OTE）是＂韦伯＂的主结构之一，也是它的＂眼睛＂，由主镜、次镜、三级反射镜、精细转向镜、望远镜框架及其控制装置等组成。其中，主反射镜的镜面直径为6.5米，由18块呈六边形的单镜面组合而成，每块镜面背部都有七个用于控制镜片形状和朝向的电动机，以帮助镜片精准聚焦。
　　研发人员选用铍作为镜面材料，这种材料热稳定性好，能防止镜面因温度变形而失效，但是加工难度特别大，抛光误差必须不超过10纳米，为此研发人员耗费了大量时间和精力。抛光后的镜片还要进行涂层处理，镀上120纳米厚的黄金，这样就可以提高镜片反射红外线的能力，也让主镜看起来金光闪闪。在装入火箭时，主镜会被折叠起来，等到达太空后再展开。＂韦伯＂的次镜、三级反射镜的材质与主镜相同，均为镀金铍，其中次镜是一个直径74厘米的圆形曲面，三级反射镜则是一个更小的不对称六边形镜片。当＂韦伯＂工作时，光线由主镜汇聚起来反射给次镜，次镜将光线进一步传递给处于望远镜中心的三级反射镜，而后经过精细转向镜传递给位于主镜面背面的综合科学仪器模块，进行光线的接收与处理。
　　科学仪器模块由近红外相机、近红外光谱仪、中红外仪、精细制导传感器/近红外成像无缝隙光谱仪等仪器组成。近红外相机、近红外光谱仪均能够观测0.6 5.0微米的波段，近红外相机还承担着18片主镜的在轨测试和校准任务。精细制导传感器/近红外成像无缝隙光谱仪由精细制导传感器、近红外成像与光谱仪联合组成，可以观测0.8微米 5.0微米的波段，还能帮助望远镜以极高的精度指向需要探索的天空。中红外仪是中红外波段相机与光谱仪的复合体，可观测4.6微米 28.6微米的中长红外波段。
　　宇宙历史的＂时光机＂
　　由于＂韦伯＂的光学望远镜模块需要在极端低温状态中工作，以最大程度地确保观测精度，因此它将被部署到距离地球约150万公里的日地拉格朗日L2点。这样，＂韦伯＂望远镜不仅拥有了更广阔的观测视野，还能时刻处于地球所投射的阴影之下，最大限度减少光对观测的干扰。同时，＂韦伯＂还携带有五张网球场大小的菱形聚酰亚胺隔热罩，每层隔热罩均可阻挡约90%的热量，五层协同工作可以使两侧的温度差达到约300摄氏度，为望远镜主要结构提供低于-223摄氏度的工作温度。为了能够容纳＂韦伯＂这样的＂大块头＂，＂阿里亚娜5＂火箭对整流罩做了专门改造，增设了用于减小抛罩后压差、进而减小＂韦伯＂受力的通气孔，以减少压力突降的风险，防止损坏望远镜的遮阳罩。
　　在发射升空后，＂韦伯＂望远镜还要经历一系列的考验，才能成功部署。上天后，＂韦伯＂将在飞往拉格朗日L2点途中陆续展开太阳阵、高增益通信天线以及遮阳罩，随后展开副镜，张开主镜上各带有三块子镜的两翼，从而把主镜部署到位。正常情况下，镜面将会在发射13天后就绪，而这些环节一旦出现任何错误，都将很难挽回。
　　据估计，＂韦伯＂望远镜的能力将是哈勃望远镜的100倍，其先进的载荷、有利的位置能让它化身为一部＂时光机器＂，看到130亿光年以外的宇宙，观测宇宙第一批天体的形成和演化，揭示宇宙更为久远的历史。
　　按照计划，＂韦伯＂望远镜一旦部署成功，将执行多项任务，包括：尝试观测＂大爆炸＂后出现的第一批天体，例如星系、黑洞和超新星；观测星系是如何随着时间推移而成长的；观测恒星和行星系统是如何在气体尘埃云内部形成的；观测其他恒星周围的行星以及我们身处的太阳系本身，以了解这些天体系统是如何随着时间推移成长和变化的，并帮助了解地球是如何具备孕育生命的条件的。
　　从＂哈勃＂到＂韦伯＂，人类正把目光投向宇宙的更深处。目前人类对宇宙的最远观测距离是137多亿光年，正是由＂哈勃＂望远镜创造的。＂韦伯＂成功部署后，必将一再打破这个纪录，而新的纪录所意味的不仅是空间的概念，更是时间的启发，人类将对早期宇宙到底是什么样子的有更多了解，所有热爱科学的人都将为之激动不已。（截至2021年1月5日，＂韦伯＂望远镜五张隔热罩已成功张紧，次镜成功部署。）