從“哈勃”到“韋伯”，人類望向宇宙更深處

蘭順正

2021年12月25日圣誕節(jié)當(dāng)天，備受全球天文屆矚目的“詹姆斯·韋伯”空間望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那群島庫(kù)魯基地由歐洲阿里亞娜航天公司的“阿里亞娜5ECA+”型運(yùn)載火箭發(fā)射升空，人類探索宇宙的壯舉邁上新臺(tái)階。

在了解韋伯望遠(yuǎn)鏡之前，先讓我們簡(jiǎn)單回顧一下它的“前輩”——“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡?！肮蓖h(yuǎn)鏡是1990年4月24日由“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)在美國(guó)肯尼迪航天中心成功發(fā)射升空的，32年來(lái)雖然經(jīng)歷過(guò)很多曲折（如升空后第一張照片過(guò)于模糊，直到1993年修復(fù)了主鏡缺陷并更換相關(guān)儀器后才有所改善），但也拍攝到大量令人震撼的宇宙照片，在人類天文觀測(cè)史上留下了濃墨重彩的一頁(yè)。

據(jù)估計(jì)，“哈勃”望遠(yuǎn)鏡能夠工作到2030年代甚至更久。然而，“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的兢兢業(yè)業(yè)無(wú)法改變其日益老化的事實(shí)，尤其是最近一段時(shí)間，“哈勃”身上的計(jì)算機(jī)時(shí)常出現(xiàn)問(wèn)題，為其準(zhǔn)備“接班人”就顯得勢(shì)在必行。

其實(shí)在“哈勃”望遠(yuǎn)鏡升空前一年，也就是1989年，為其建造“繼任者”的項(xiàng)目就已經(jīng)被提出，當(dāng)時(shí)該項(xiàng)目的名稱叫“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”（NGST，Next Generation Space Telescope）。經(jīng)過(guò)激烈角逐，美國(guó)TRW公司（僅次于洛克希德·馬丁的美國(guó)第二大航天制造商）于2002年獲得了美國(guó)宇航局（NASA）授予的8.25億美元合同，負(fù)責(zé)建造“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡。按照原先的計(jì)劃，“韋伯”定于2007年發(fā)射，但隨后由于TRW公司被收購(gòu)和項(xiàng)目超支、新冠疫情等種種因素，發(fā)射時(shí)間一推再推，最后推到了2021年，造價(jià)也漲到了百億美元。

“韋伯”望遠(yuǎn)鏡以NASA第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋伯的名字命名，以紀(jì)念他對(duì)“阿波羅”登月計(jì)劃做出的重要貢獻(xiàn)?！绊f伯”望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量約為6.5噸，僅相當(dāng)于“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的一半，體積卻比“哈勃”大很多。

相比“哈勃”的傳統(tǒng)造型，“韋伯”望遠(yuǎn)鏡好似一副空架子上鑲嵌著一個(gè)裸露鏡片?！肮鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊”（OTE）是“韋伯”的主結(jié)構(gòu)之一，也是它的“眼睛”，由主鏡、次鏡、三級(jí)反射鏡、精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡、望遠(yuǎn)鏡框架及其控制裝置等組成。其中，主反射鏡的鏡面直徑為6.5米，由18塊呈六邊形的單鏡面組合而成，每塊鏡面背部都有七個(gè)用于控制鏡片形狀和朝向的電動(dòng)機(jī)，以幫助鏡片精準(zhǔn)聚焦。

研發(fā)人員選用鈹作為鏡面材料，這種材料熱穩(wěn)定性好，能防止鏡面因溫度變形而失效，但是加工難度特別大，拋光誤差必須不超過(guò)10納米，為此研發(fā)人員耗費(fèi)了大量時(shí)間和精力。拋光后的鏡片還要進(jìn)行涂層處理，鍍上120納米厚的黃金，這樣就可以提高鏡片反射紅外線的能力，也讓主鏡看起來(lái)金光閃閃。在裝入火箭時(shí)，主鏡會(huì)被折疊起來(lái)，等到達(dá)太空后再展開(kāi)?！绊f伯”的次鏡、三級(jí)反射鏡的材質(zhì)與主鏡相同，均為鍍金鈹，其中次鏡是一個(gè)直徑74厘米的圓形曲面，三級(jí)反射鏡則是一個(gè)更小的不對(duì)稱六邊形鏡片。當(dāng)“韋伯”工作時(shí)，光線由主鏡匯聚起來(lái)反射給次鏡，次鏡將光線進(jìn)一步傳遞給處于望遠(yuǎn)鏡中心的三級(jí)反射鏡，而后經(jīng)過(guò)精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡傳遞給位于主鏡面背面的綜合科學(xué)儀器模塊，進(jìn)行光線的接收與處理。

科學(xué)儀器模塊由近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、中紅外儀、精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像無(wú)縫隙光譜儀等儀器組成。近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀均能夠觀測(cè)0.6～5.0微米的波段，近紅外相機(jī)還承擔(dān)著18片主鏡的在軌測(cè)試和校準(zhǔn)任務(wù)。精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像無(wú)縫隙光譜儀由精細(xì)制導(dǎo)傳感器、近紅外成像與光譜儀聯(lián)合組成，可以觀測(cè)0.8微米～5.0微米的波段，還能幫助望遠(yuǎn)鏡以極高的精度指向需要探索的天空。中紅外儀是中紅外波段相機(jī)與光譜儀的復(fù)合體，可觀測(cè)4.6微米～28.6微米的中長(zhǎng)紅外波段。

由于“韋伯”的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊需要在極端低溫狀態(tài)中工作，以最大程度地確保觀測(cè)精度，因此它將被部署到距離地球約150萬(wàn)公里的日地拉格朗日L2點(diǎn)。這樣，“韋伯”望遠(yuǎn)鏡不僅擁有了更廣闊的觀測(cè)視野，還能時(shí)刻處于地球所投射的陰影之下，最大限度減少光對(duì)觀測(cè)的干擾。同時(shí)，“韋伯”還攜帶有五張網(wǎng)球場(chǎng)大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩，每層隔熱罩均可阻擋約90%的熱量，五層協(xié)同工作可以使兩側(cè)的溫度差達(dá)到約300攝氏度，為望遠(yuǎn)鏡主要結(jié)構(gòu)提供低于-223攝氏度的工作溫度。為了能夠容納“韋伯”這樣的“大塊頭”，“阿里亞娜5”火箭對(duì)整流罩做了專門改造，增設(shè)了用于減小拋罩后壓差、進(jìn)而減小“韋伯”受力的通氣孔，以減少壓力突降的風(fēng)險(xiǎn)，防止損壞望遠(yuǎn)鏡的遮陽(yáng)罩。

在發(fā)射升空后，“韋伯”望遠(yuǎn)鏡還要經(jīng)歷一系列的考驗(yàn)，才能成功部署。上天后，“韋伯”將在飛往拉格朗日L2點(diǎn)途中陸續(xù)展開(kāi)太陽(yáng)陣、高增益通信天線以及遮陽(yáng)罩，隨后展開(kāi)副鏡，張開(kāi)主鏡上各帶有三塊子鏡的兩翼，從而把主鏡部署到位。正常情況下，鏡面將會(huì)在發(fā)射13天后就緒，而這些環(huán)節(jié)一旦出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，都將很難挽回。

美國(guó)宇航局（NASA）公布的“韋伯”望遠(yuǎn)鏡成功部署后的效果圖。

據(jù)估計(jì)，“韋伯”望遠(yuǎn)鏡的能力將是哈勃望遠(yuǎn)鏡的100倍，其先進(jìn)的載荷、有利的位置能讓它化身為一部“時(shí)光機(jī)器”，看到130億光年以外的宇宙，觀測(cè)宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙更為久遠(yuǎn)的歷史。

按照計(jì)劃，“韋伯”望遠(yuǎn)鏡一旦部署成功，將執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，包括：嘗試觀測(cè)“大爆炸”后出現(xiàn)的第一批天體，例如星系、黑洞和超新星;觀測(cè)星系是如何隨著時(shí)間推移而成長(zhǎng)的;觀測(cè)恒星和行星系統(tǒng)是如何在氣體塵埃云內(nèi)部形成的;觀測(cè)其他恒星周圍的行星以及我們身處的太陽(yáng)系本身，以了解這些天體系統(tǒng)是如何隨著時(shí)間推移成長(zhǎng)和變化的，并幫助了解地球是如何具備孕育生命的條件的。

從“哈勃”到“韋伯”，人類正把目光投向宇宙的更深處。目前人類對(duì)宇宙的最遠(yuǎn)觀測(cè)距離是137多億光年，正是由“哈勃”望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造的。“韋伯”成功部署后，必將一再打破這個(gè)紀(jì)錄，而新的紀(jì)錄所意味的不僅是空間的概念，更是時(shí)間的啟發(fā)，人類將對(duì)早期宇宙到底是什么樣子的有更多了解，所有熱愛(ài)科學(xué)的人都將為之激動(dòng)不已。

（截至2021年1月5日，“韋伯”望遠(yuǎn)鏡五張隔熱罩已成功張緊，次鏡成功部署。）