群星,我们的归宿

21世纪最宏大的科学探索之一:韦伯望远镜

迄今为止最先进、体积最大的太空观测仪器——耗资 100 亿美元的詹姆斯韦伯望远镜——发射升空,去执行用影像记录宇宙中第一颗发光恒星的任务。

搭载阿丽亚娜5号火箭发射升空

韦伯太空望远镜的制造过程是怎样的?

詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,简写JWST)以阿波罗登月的建筑师之一的名字命名,是21世纪最宏大的科学探索之一。韦伯将接替哈勃望远镜,它由美国、欧洲和加拿大航天机构联合研发,功能比哈勃强 100 倍。

望远镜配备了对红外线或“热辐射”敏感的探测器,将以人眼从未见过的颜色描绘宇宙。最早、最遥远的星系的可见光波长因宇宙的膨胀而被转变为较长的红外波长。

在充满成本超支和技术障碍的开发周期里,韦伯望远镜的18个镀金六角形镜子,先进的温度控制器和超灵敏的红外传感器组合到了一起。在这个过程中,工程师们发明了10项新技术,使其灵敏度远远超过哈勃。这18面镜子是由高纯度的金属铍制成的,金属铍具有非常特殊的物理性能,在经过高度抛光以后,这样就可以让镜片几乎做到绝对光滑。

韦伯望远镜
韦伯望远镜

值得一提的是,为了能够提高它对红外线的反射和保护镜片的能力,科学家们还在它的表面镀上了一层黄金,韦伯那看上去就金灿灿的主镜镜片,居然真的是黄金做的。

2002年,美国宇航局选择诺斯罗普·格鲁曼公司来领导韦伯的建造,项目经理们估计,它将耗资10亿至35亿美元,并于2010年发射升空。过于乐观的进度预测、偶尔发生的研发事故和混乱的成本报告将工期拖到了2021年,总成本飙升至100亿美元。

新的望远镜在10月由轮船从美国加州的工厂运送至法属圭亚那,航天企业诺斯洛普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)和美国太空总署(NASA)此前在加州监督了它的最后组装。

韦伯太空望远镜的发射过程是怎样的?

甫一下船,JWST就接受详尽的检查,以确认运送过程中没有损毁。

就连发射前的最后阶段也显得非常危险,由于库鲁火箭舱发生的事故、断开的电缆和令人担忧的天气报告,韦伯的出发日期推迟到了12月,直到最后在圣诞节上午发射。

亚利安火箭的核心级在上周六被竖立了起来

在库鲁中心的无尘室里,望远镜直立放置。它没有处于运作状态,而是被折叠起来,以能够放置入亚利安火箭的鼻锥。他们持续保持着高度的清洁,保持韦伯周边的环境一尘不染。两度过滤墙令望远镜远离尘埃。身穿防护衣的工作人员也不停地拖地和清洁支援设备的表面,进一步保证韦伯望远镜6.5米宽的镜面镀金元件不会受到污染。

在无尘室里看见的韦伯,是一个非常令人震惊的结构。它闪着金银色的光芒,银色是因为绝缘层。略显紫色的部分则是来自于为增加反光而加入的硅元素。

即使折叠起来的时候,韦伯望远镜仍然很庞大
但是真正令你屏息的是它的尺寸,哪怕只是在发射前折叠起来的时候。当它进入太空轨道,展开之后的望远镜将大概会有一个网球场那么大。

周二(11月9日)的任务则是由筹备团队将JWST装入发射适配器。这是一个将它固定火箭顶端的圆环。这一程序将会由激光引导。然后剩下的部分就是给韦伯提供燃料和通过适配器将它与亚利安火箭上面级合体。

一个棘手的步骤是封装。火箭的鼻锥将下降盖在望远镜上面。这当中的间隙将会非常小,特别是在30分钟的升空过程中,整个结构都会发生来回震动。

“数据上,我们距离整流罩边缘只有6至8英寸(15-20厘米),但是在发射载荷下,这个距离会变成3.5英寸(9厘米)之内。这是非常近的,所以我们每一部分都需要非常精确,”美国太空总署(NASA)的发射地负责人马克·沃伊顿(Mark Voyton)说。

这架天文望远镜由阿丽亚娜火箭(又译亚利安火箭)承载,在过去 30 年里,全世界有成千上万的人参与了韦伯望远镜项目。整个过程被万众热切期待也充满焦虑不安。尽管阿丽亚娜是一种非常可靠的运载工具,但事关火箭,却难说绝对保险,万无一失。

韦伯脱离后从阿丽亚娜火箭顶部拍摄的图片
阿丽亚娜火箭于圣诞日从法属圭亚那的库鲁太空港升空,不到半小时之后完成轨道飞行,肯尼亚马林迪的地面天线接收到了确认成功的信号。韦伯望远镜项目主管格雷戈里·罗宾逊在发射后举行的新闻发布会上说:“世界给了我们这台望远镜,我们今天将它交回世界手中。”

周六的成功发射为长达25年的耗资巨大的努力画上了句号,其间经历了各种不确定性、错误和独创工作。

韦伯望远镜将看到什么?

韦伯能看到的最远星系,预计将包括一些最早出现的星体

天文学家说,研究这些新生星系的热量可以为了解位于星系中心的超大质量黑洞何时以及如何形成提供重要线索。在时空距离地球更近的现在,该望远镜将嗅探围绕附近恒星运行的行星的大气层,寻找与生命相关的元素和分子——如氧气和水——的红外特征。

这枚望远镜也会有能力分辨很多如今正不断在太阳系外被发现的新星体大气,并能对它们的气体进行分析,以找到生命存在的可能。

斯特劳恩博士说:“当然我们不能保证会找到生命的迹象。但我们可以毫不夸张地说,韦伯望远镜绝对是我们在银河系寻找宜居行星迈出的巨大一步。”

韦伯望远镜将如何进行工作?

从发射到运行的14天

发射升空只是一个新开端 —— 未来六个月还有一系列复杂的初始活动。韦伯望远镜所处的位置在距离地球约 150 万公里的观测站轨道上。在前往这个地点的过程中,韦伯需要从发射时的折叠配置中解脱,展开的过程就像一只从蛹中出现的蝴蝶。

这个过程同样精密繁复,同样存在发生意外的可能性。

现在,令世人瞩目的韦伯太空望远镜的遮阳罩和主镜都已经顺利展开了,只是跟一般人所想象的不同,在由18面黄金镜片组成的主镜展开以后,工程师们还需要用长达三个月左右的时间对主镜进行调试和校准,然后工程师们还需要再测试韦伯上的其他科学仪器之后,韦伯才能够进入工作状态,拍摄第一张画面。

但是,如果未来几周或几个月出现任何问题,可能会危及天文学关于存在起源的观点。1990年代,当哈勃望远镜的工作出现问题时,美国宇航局派出宇航员乘坐航天飞机进行修复工作。韦伯望远镜的目标是月球以外的一个地方,以前从未有航天器搭载人类抵达(不过梅尔罗伊说,如果需要的话, 美国宇航局考虑过机器人修复任务)。