威力恐怖如斯的韋布望遠(yuǎn)鏡,竟然還有這段“黑歷史”
發(fā)布時間:2022-07-15
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這兩天天文界出了件大喜事——韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝的首批照片,終于上線刷屏啦!這些照片哪兒哪兒都有,這里就不多說了,咱們今天重點(diǎn)講講這架超級望遠(yuǎn)鏡的黑歷史,沒錯,它不僅是鴿子王,吞金獸,還是能嚇?biāo)理?xiàng)目經(jīng)理的經(jīng)典(不那么正面的)教材……

想象一下,你有個朋友,約你一起出去看星星,結(jié)果今天說望遠(yuǎn)鏡沒準(zhǔn)備好,明天說家里有點(diǎn)事,后天說沒錢給車加油了……對這么愛放別人鴿子爽約的人,我們早就友盡了。但天文界里就有這么一位傳奇,一鴿再鴿叒鴿了14年多,卻仍然讓人又愛又恨還充滿了期盼……

它就是傳說中詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope, JWST),這架太空望遠(yuǎn)鏡于1996年立項(xiàng)時,目標(biāo)是2007年上天。然而它經(jīng)歷了不斷的拖延、追加經(jīng)費(fèi)、乃至幾乎流產(chǎn)等一系列折騰,活活拖了14年。2021年12月22日(好像)真要出發(fā)了(才怪,一直拖到12月25日才發(fā)射)!

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只要搜索韋伯望遠(yuǎn)鏡,就會發(fā)現(xiàn)關(guān)于它的新聞全是又雙叒叕延期了……

韋布望遠(yuǎn)鏡究竟有什么了不起的使命?又為何會一再放鴿子呢?

01

想拍宇宙“嬰兒照”?先把韋布送上天

韋布望遠(yuǎn)鏡的名字,來自領(lǐng)導(dǎo)過阿波羅登月計(jì)劃的NASA第二任局長詹姆斯·韋布(James Webb),但它最初的名字是“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”(Next Generation Space Telescope),這里的“下一代”是相對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡而言的——它的官方定位是哈勃繼任者。過去它一直叫韋伯望遠(yuǎn)鏡,后來標(biāo)準(zhǔn)譯名才變成了“韋布”。

韋布望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù),是要比哈勃看到更深更遠(yuǎn)的宇宙深空,追溯宇宙在132億年以前、剛剛形成初代恒星和星系時的嬰兒期相貌。它的觀測結(jié)果,將為宇宙的早期演化史提供重要數(shù)據(jù)。

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韋布望遠(yuǎn)鏡的成像原理示意圖 來自NASA

那么,為什么看得更深更遠(yuǎn)這么重要呢?

因?yàn)楣獾膫鞑バ枰獣r間。比如你現(xiàn)在看到的其實(shí)是1納秒前的手機(jī)屏幕,舉頭望明月看到的則是1秒前的月亮、長安白日照春空的陽光是500秒前從太陽表面出發(fā)的。而架起天文望遠(yuǎn)鏡,你將看到是102個月前的天狼星、1340年前的獵戶座大星云、250萬年前的仙女座大星系……總之,視線越遠(yuǎn),看到的景象就越古老。

所以,韋布望遠(yuǎn)鏡給宇宙小時候拍照片的原理很“簡單”:使勁往遠(yuǎn)處看就是了。

可是,宇宙空間在不斷地膨脹。初代恒星的星光,出發(fā)時還是紫外線和可見光,百億年后到達(dá)地球時,已經(jīng)被宇宙膨脹“抻”成了橙紅色光和紅外線。當(dāng)研究近處孕育的新恒星時,能從星云塵埃中跑出來報信的,也是波長較長、衍射能力較強(qiáng)的紅外線。所以,韋布在0.6~28微米的波段工作,正好適合觀測這些紅外線。

上面這一大段沒看明白沒關(guān)系,看一下對比圖就清楚了,右圖中使用紅外線波段觀測,弱化了干擾,明顯能比左圖看到更多更清晰的星星。

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可見光和紅外線波段的觀測對比,紅外線能“透過”星云照射出來

可能有人會說,那你把望遠(yuǎn)鏡建在地球上不行嗎?何必費(fèi)那么大勁送上天?

原因有兩點(diǎn):吸收和干擾。

一方面,地球大氣層能夠吸收紅外線,某些波段的紅外線根本就進(jìn)不來。而從時空盡頭遠(yuǎn)道而來的紅外線,本已奄奄一息,經(jīng)過大氣過濾后,更是缺斤少兩。另一方面,紅外輻射無處不在,溫暖的地球大氣,本身就是巨大的紅外干擾源,這些都會使望遠(yuǎn)鏡在紅外線波段無法很好地觀測。

因而,在地面上可沒法好好研究宇宙最深處傳來的紅外線。哪怕是那些最強(qiáng)大的地面望遠(yuǎn)鏡們,如中國“天眼”FAST、甚大天線陣VLA,在建的歐洲極大望遠(yuǎn)鏡E-ELT,都不適合做這方面的研究。

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地球大氣層在各波長的透光率,波谷就是被吸收掉了

怎么辦?沖出大氣層,到太空中去,離這些阻礙越遠(yuǎn)越好!

那么,用我們熟悉的哈勃望遠(yuǎn)鏡舉例,它夠不夠遠(yuǎn)呢?不但不夠而且很不合適。

哈勃在540公里的高度繞地飛行,這里依然有稀薄的大氣,并且無法逃避紅外烘烤——當(dāng)飛到白晝區(qū)時,如果扭頭不看太陽,就躲不開地球那張明晃晃的大臉——被照亮的望遠(yuǎn)鏡本身也會制造紅外輻射干擾。好在,哈勃不用太在意,是因?yàn)樗饕ぷ髟谧贤夂涂梢姽獠ǘ巍?/p>

而主打紅外觀測的韋布可不能在這種環(huán)境下工作,因此它的的最終選址,是日地拉格朗日點(diǎn)L2,L2處于地球軌道外圍,距地150萬公里(地月距離的4倍)。在這里,韋布望遠(yuǎn)鏡能和地球以相同的周期,并駕齊驅(qū)繞日公轉(zhuǎn)。

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韋布望遠(yuǎn)鏡軌道示意圖 來自NASA

這里沒有大氣,而且太陽、地球、月球這些干擾源都在同一方向,只要把這個方向擋住,就能夠心無旁騖地靜聽宇宙深處傳來的第一聲嬰啼。

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飄蕩在L2的韋布望遠(yuǎn)鏡效果圖,太陽、地球、月球永遠(yuǎn)被遮擋在同一方向

02

工欲善其事?堆滿黑科技

不過,就算把韋布送上了天,如果這望遠(yuǎn)鏡自身配置不夠強(qiáng)大,那也是白搭,韋布望遠(yuǎn)鏡就堆了一身的好東西,那么都有哪些呢?

接著上文擋光的事繼續(xù)說,韋布望遠(yuǎn)鏡并非固定在L2上,而是圍繞L2畫圈飄蕩(如下圖所示)。

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韋布望遠(yuǎn)鏡軌道示意圖 來自NASA

為了把各個可能角度的陽光遮擋嚴(yán)實(shí),韋布望遠(yuǎn)鏡配備了一個巨型遮光罩。它大致是個菱形大風(fēng)箏形狀,長徑21米,短徑14米,面積堪比一個網(wǎng)球場。這個遮光罩共有五層鍍鋁(前兩層摻雜硅)的聚酰亞胺膜,每層膜薄如辦公用的透明膠帶,并且互相分離。

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遮光罩的等尺寸測試件 來自NASA

這是因?yàn)?,在多層膜之間,熱量只能通過輻射傳遞,最終呈指數(shù)衰減。測試數(shù)據(jù)表明,遮光罩的陽面接受300千瓦的輻射功率時,陰面只有23毫瓦的輸出,這樣的性能,足以在受光面溫度高達(dá)85℃時,保證背陰面的望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)定在-233℃以下“暗中觀察”,窺探宇宙誕生的秘密。

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真·暗中觀察,左圖來自NASA

觀測點(diǎn)選好了,太陽光擋上了。解決了信號干擾問題,還有個大問題有待解決。

觀測的波長越長,需要的鏡面就越大,地球上那些動不動直徑幾百米的巨物就是如此。為了更好地觀測紅外線,韋布望遠(yuǎn)鏡需要一個比哈勃更大的鏡面。

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韋布望遠(yuǎn)鏡和哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡面尺寸對比 來自NASA

哈勃的主鏡直徑都已經(jīng)有2.4米,高過姚明了,而韋布的主鏡直徑有6.5米,大約有兩層樓高。這面巨鏡的性能相當(dāng)卓越:在2微米的紅外波段,韋布的分辨力可達(dá)0.1角秒,相當(dāng)于能在80公里外看到一個乒乓球。這讓韋布能看到比哈勃觀測極限還要暗幾十倍的天體,是人類肉眼觀測極限的100億倍。

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一個人類和韋布、哈勃合影(左起第一位是韋布)來自NASA

有趣的是,韋布的大鏡子面積是哈勃的6.25倍,但竟然比哈勃的還要輕(625千克VS 1000千克)。這里又有高科技了:哈勃的鏡板用的是玻璃,密度是2.5克每立方厘米,而韋布的鏡板更輕薄,用的是金屬鈹,密度只有1.85克每立方厘米,這樣單位面積的鏡板的質(zhì)量只有哈勃的10%。鈹除了夠輕,夠硬,更重要的是在望遠(yuǎn)鏡所在的極冷環(huán)境下,形狀比玻璃的還穩(wěn)定。美中不足是它顏色灰暗,反射率不佳,所以人們在鈹鏡面上鍍了一層0.1微米厚的金——完美。

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鍍金鏡面,眼見為實(shí) 來自NASA

最后,我們該如何把兩層樓高的主鏡面、外加一個網(wǎng)球場大小的遮光罩送上太空呢?

顯然只有層層折疊后塞進(jìn)火箭,到了太空再展開了。因此韋布的主鏡不是鈹板一塊,而是由18面正六邊形小鏡拼接成的。為了使展開后的主鏡精準(zhǔn)對焦,每塊小鏡的微調(diào)系統(tǒng)要求5納米的步進(jìn)精度。展開遮光罩是個更加復(fù)雜的任務(wù),需要大約7000個零件協(xié)同工作,才能把5層薄膜展開、鋪平、繃緊、隔離。

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韋布折起來以后就成這樣了 來自NASA

03

放鴿子,只因我高(科技)貴(燒錢)

說完韋布望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)和大致設(shè)計(jì),就能解釋這臺強(qiáng)力又復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡為何會成為“鴿王”了。

沒別的,就是“腦洞一時爽,執(zhí)行火葬場”再加上“別看初始預(yù)算低,追加坑你沒商量。”

首先就是想法太超前,對科技水平要求太高。

回到1996年,當(dāng)NASA硬著頭皮立項(xiàng)時,甚至還不太清楚這么一臺望遠(yuǎn)鏡該怎么造。因?yàn)樵S多相關(guān)科技領(lǐng)域,諸如材料學(xué)、精密加工、自動控制、冷卻技術(shù),還沒有完全就位。

例如,前文提到的鈹質(zhì)主鏡,2001年底才拿到預(yù)研演示數(shù)據(jù)。由于技術(shù)上的重重難關(guān),直到2007年,也就是韋布望遠(yuǎn)鏡最初預(yù)定的發(fā)射年,與之相關(guān)的10個重大技術(shù)點(diǎn)才剛粗略排除了風(fēng)險。更何況,除了造望遠(yuǎn)鏡本身,將這么個大家伙打包,準(zhǔn)確地送到拉格朗日點(diǎn)L2,本身就是個艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

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韋布打包示意圖 來自NASA

曠日持久攻克大量技術(shù)難題,帶來的后果就是預(yù)算爆炸。

這臺望遠(yuǎn)鏡,到2010年才完成關(guān)鍵技術(shù)的方案評審,過審后的項(xiàng)目預(yù)算已經(jīng)從最初的5億美元,暴漲到了65億。2011年7月,美國國會失去耐心,威脅撤資。幸運(yùn)的是,11月時,國會息怒了,又加了些銀子,預(yù)算漲到了88億美元——這個錢差不多都夠造兩艘核動力航母了。這場風(fēng)波過后,項(xiàng)目才到了最終設(shè)計(jì)制造階段。

接下來就是設(shè)計(jì)、制造和測試的漫長循環(huán)。之所以漫長,是因?yàn)檫@望遠(yuǎn)鏡部署在150萬公里外的拉格朗日點(diǎn),一旦出現(xiàn)故障,根本無法派人前去維修——這可不像近處的哈勃望遠(yuǎn)鏡,升空后發(fā)現(xiàn)對焦不好,還能叫個航天飛機(jī)登門“配眼鏡”——所以,韋布望遠(yuǎn)鏡必須在地面上反復(fù)調(diào)試,確保萬無一失。

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如果順利的話,韋布將會如此展開 來自NASA

但所謂夜長夢多,時間拖了這么久,意外也層出不窮,比如2018年的延期,就是因?yàn)樵囌拐诠庹謺r發(fā)生了撕裂,這一延就是兩年。再往后,就是五花八門的倒霉事了:新冠肺炎大流行、火箭沒準(zhǔn)備好……甚至鏡體都快入艙了,竟然還能因?yàn)楣潭◣б馔饨饨?、再?天……

最終,這項(xiàng)目總花費(fèi)接近100億美元。由于它失控的預(yù)算,許多其他科研項(xiàng)目籌不到經(jīng)費(fèi),無法開展。業(yè)界對它頗有怨念,比如自然雜志就曾批評韋布望遠(yuǎn)鏡“吃掉了天文學(xué)”。

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《吃掉了天文學(xué)的天文望遠(yuǎn)鏡》《自然》2010年10月

不過不管怎樣,既然天文學(xué)已經(jīng)被韋布吃掉了,那它就得負(fù)責(zé)啊!我們還是祝詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡好運(yùn)吧!愿這件凝聚人類前沿科技的結(jié)晶如期順利升空,在今后十年的任務(wù)工作順利,收獲滿滿!

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韋布加油!原圖來自NASA

番外篇:花了100個億,這次能找到外星人嗎?

可能很多朋友最感興趣的問題,還是這么奇妙的一臺太空望遠(yuǎn)鏡能幫助人類找到外星人嗎?

找外星人,可以從尋找宜居系外行星入手,而尋找這類行星是另一臺太空望遠(yuǎn)鏡——TESS的術(shù)業(yè)專攻,不是韋布的主業(yè)。但韋布還真有能力做這件事!

對于較近的恒星,韋布的超強(qiáng)分辨力可以直接看到它身邊的大行星,或者正在吸積成形的行星的熾熱星胚。假如行星有從其母星身前經(jīng)過的機(jī)會,韋布可以分析它對恒星光譜造成的變化,判斷其大氣成分,尋找生命的線索。

韋布望遠(yuǎn)鏡也能自如地觀測太陽系內(nèi)的地外行星和各色小天體,包括衛(wèi)星、彗星、小行星、矮行星、柯伊伯帶,以進(jìn)一步研究太陽系的形成演化歷史。

我們并不奢望韋布在初代恒星身邊發(fā)現(xiàn)行星。它們太遙遠(yuǎn)了,實(shí)在看不到它們身邊的小天體。另外,按照“大爆炸”理論的時間線,初代恒星的身邊還沒有足夠的重元素來構(gòu)造有堅(jiān)實(shí)地面的行星。

總之,只能說韋布望遠(yuǎn)鏡有發(fā)現(xiàn)生命蹤跡的實(shí)力,但至于能不能真的發(fā)現(xiàn)外星人的蹤跡,那恐怕還得看運(yùn)氣了。

作者 | 曲 炯 科普作家 作品發(fā)表于國家博物館、國家航天局等

審核 | 劉 茜 北京天文館研究員 科普影片編導(dǎo)和科普作家



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