韋伯:哈勃接班人

韋伯：哈勃接班人
　　昌河
　　1990年4月25日，由美國(guó)航天飛機(jī)送上太空軌道的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，以2.8萬(wàn)千米的時(shí)速沿太空軌道運(yùn)行，清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍以上。同時(shí)，它的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地球上望遠(yuǎn)鏡所沒(méi)有的好處：影像不會(huì)受到大氣湍流的擾動(dòng)，視相度絕佳，又沒(méi)有大氣散射造成的背景光，還能觀測(cè)會(huì)被臭氧層吸收的紫外線。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡于1990年發(fā)射之后，已經(jīng)成為天文史上最重要的儀器。它填補(bǔ)了地面觀測(cè)的缺口，幫助天文學(xué)家解決了許多重大問(wèn)題，對(duì)天文物理有更多的認(rèn)識(shí)。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡通過(guò)中繼衛(wèi)星與地面取得聯(lián)系，超深空視場(chǎng)讓天文學(xué)家獲得了更深入太空的光學(xué)影像，計(jì)劃工作15年。
　　美國(guó)東部時(shí)間2009年5月11日14點(diǎn)01分，美國(guó)“阿特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射升空。在此次太空之旅中，機(jī)上的7名宇航員通過(guò)5次太空行走，對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了最后一次全面維護(hù)，更換了大量的設(shè)備和輔助儀器，當(dāng)時(shí)更換名單主要包括：用第三代廣域照相機(jī)取代二代照相機(jī)；安裝新的宇宙起源頻譜儀并取回該處的光學(xué)矯正系統(tǒng)；修復(fù)損壞的先進(jìn)巡天照相機(jī)：修復(fù)損壞的空間望遠(yuǎn)鏡攝譜儀；替換損壞的精細(xì)導(dǎo)星傳感器；更換科學(xué)儀器指令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：更換全部的電池模組；更換所有的6個(gè)陀螺儀和3組定位傳感器；更換對(duì)接環(huán)、安裝全新的絕熱毯、補(bǔ)充制冷劑等等。而這次是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的最后一次維護(hù)，將哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的壽命延長(zhǎng)至2013年后。
　　
　　風(fēng)險(xiǎn)史無(wú)前例
　　
　　美國(guó)航空航天局與歐洲及加拿大航天機(jī)構(gòu)耗資50億美元合作研制的韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，預(yù)定于2014年升空接替標(biāo)志性的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。
　　自1990年起，哈勃就在距離地面570千米的軌道上運(yùn)行，其所拍攝的清晰度是地面望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，它的觀察能力相當(dāng)于在華盛頓能看到16萬(wàn)千米之外澳大利亞悉尼的一只螢火蟲，因此為天文學(xué)家提供了遙遠(yuǎn)宇宙中星系及鄰近恒星誕生與死亡的最清晰影像。與哈勃一樣，韋伯望遠(yuǎn)鏡也必定帶來(lái)令人嘆為觀止的宇宙影像，不過(guò)韋伯的視力要比哈勃更深邃，看得比哈勃更遠(yuǎn)。天文學(xué)家設(shè)計(jì)它的目的，是為了凝望宇宙的開(kāi)端。它或許會(huì)發(fā)現(xiàn)大爆炸后誕生的第一批恒星死亡時(shí)產(chǎn)生的爆炸，揭露與我們所在銀河系類似的星系起源的過(guò)程。它還會(huì)把視線深入到氣體塵埃云內(nèi)部，窺探正在孕育恒星及其行星家族的宇宙“子宮”。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，韋伯望遠(yuǎn)鏡與它的前任將截然不同。它擁有的超輕主鏡口徑將超過(guò)6.5米，與哈勃望遠(yuǎn)鏡2.4米的主鏡相比，集光能力是后者的6倍。望遠(yuǎn)鏡主鏡由18塊鍍金的正六邊形反射鏡拼接而成，為了讓鏡面平滑如一，拼接誤差只有人類頭發(fā)粗細(xì)的萬(wàn)分之一。
　　哈勃望遠(yuǎn)鏡一直沐浴在地球散發(fā)的討厭光芒之中，這意味著它只能在接近常溫下運(yùn)行。因此，哈勃看不見(jiàn)天文學(xué)家非常想要看到的那些遙遠(yuǎn)天體發(fā)回的微弱紅外線——那些天體散布在可觀測(cè)宇宙的邊緣，是今天宇宙中星系的最早祖先。它們的光在出發(fā)時(shí)本來(lái)是肉眼可見(jiàn)的，也能被哈勃的相機(jī)拍到。但在傳播到地球所花費(fèi)的幾十億年時(shí)間里，隨著宇宙的膨脹，這些光波已經(jīng)被拉長(zhǎng)，從可見(jiàn)光波段移入了紅外波段。美國(guó)航空航天局將把這只蜂巢狀的巨眼發(fā)配到比月亮還遠(yuǎn)得多的一條環(huán)狀軌道上。整個(gè)運(yùn)行期間，韋伯望遠(yuǎn)鏡將展開(kāi)一塊巨大的遮陽(yáng)板，把鏡身全部籠罩在一片寒冷的陰影中——那里的溫度會(huì)降到55K以下，只有這樣，望遠(yuǎn)鏡才能夠察覺(jué)到歷時(shí)130多億年、穿越茫茫宇宙、歷盡千辛萬(wàn)苦才抵達(dá)這里的極其微弱的光和熱。
　　要完成這些壯舉，就必須承擔(dān)史無(wú)前例的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行“地點(diǎn)”距離地球非常遙遠(yuǎn)，一旦出錯(cuò)，就算想派宇航員過(guò)去維修，也是不可能做到的。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡升空運(yùn)行20多年以來(lái)，已經(jīng)接受過(guò)好幾次維修和升級(jí)。韋伯望遠(yuǎn)鏡就沒(méi)有這種“改過(guò)自新”的機(jī)會(huì)。它的設(shè)計(jì)方案中根本就沒(méi)有“維修”二字，所以發(fā)射時(shí)—切都必須萬(wàn)無(wú)一失。
　　為了飛抵它的運(yùn)行“軌道”，韋伯望遠(yuǎn)鏡必須先折疊起來(lái)，塞進(jìn)火箭狹小的貨艙。為了能夠搭乘這枚火箭升空，韋伯望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量和尺寸都受到了嚴(yán)格的限制。升空后，這座空間天文臺(tái)還必須遵循一系列復(fù)雜的步驟，把折疊起來(lái)收在兩邊的鏡片展開(kāi)并拼接到位。我們甚至可以把它想象成一個(gè)折紙望遠(yuǎn)鏡，還得讓它在合適的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　質(zhì)量、大小和溫度這三方面的嚴(yán)格限制，以及技術(shù)上必須實(shí)現(xiàn)的種種壯舉，已經(jīng)迫使美國(guó)航空航天局在韋伯望遠(yuǎn)鏡上投入了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)天文學(xué)家原先預(yù)期的資金。一些氣餒的美國(guó)科學(xué)家甚至認(rèn)為，這座空間天文臺(tái)榨干了美國(guó)航空航天局用于天文學(xué)研究的預(yù)算，把其他一些探測(cè)任務(wù)排擠到了一邊：用來(lái)探測(cè)引力波、高能宇宙、其他恒星周圍類地行星表面細(xì)節(jié)的先進(jìn)探測(cè)器，現(xiàn)在都必須排到2020年以后了。就連韋伯望遠(yuǎn)鏡的支持者也有些緊張不安，不知道如此巨大的投資能否收到成效，韋伯空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)于研究小組來(lái)說(shuō)，就是一根難啃的硬骨頭。如果進(jìn)入太空，到時(shí)一旦無(wú)法展開(kāi)，那就全完了。
　　
　　新一代望遠(yuǎn)鏡誕生
　　
　　對(duì)于離我們較近的天體，紅外線也會(huì)開(kāi)辟出一條觀測(cè)通道，讓我們的視線能夠穿透重重塵埃的阻隔，看清銀河系里恒星及行星正在孕育和形成的地方。如今，天文學(xué)家在檢測(cè)外星行星時(shí)主要還是用可見(jiàn)光，因此他們只能在氣體及巖石碎屑盤已被“清空”、行星形成過(guò)程已經(jīng)完成的恒星系統(tǒng)中看見(jiàn)行星。不過(guò)由于紅外線能夠穿透塵埃，韋伯望遠(yuǎn)鏡將揭開(kāi)行星形成過(guò)程中的諸多步驟，幫助我們確定太陽(yáng)系在宇宙中到底是常見(jiàn)還是罕見(jiàn)的星系。一些行星會(huì)從它們母星的正前方經(jīng)過(guò)，給目光敏銳的韋伯望遠(yuǎn)鏡提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，去檢測(cè)它們大氣中的氣體成分。盡管可能性不大，但韋伯望遠(yuǎn)鏡確實(shí)有機(jī)會(huì)在某顆行星上發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的氣體混合物，如氧氣、二氧化碳和甲烷——這將是其他地方存在生命的首個(gè)跡象。
　　韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將用紅外相機(jī)和其他一些探測(cè)器去檢測(cè)最早的星系碎片，看它們?nèi)绾谓M裝成今天我們見(jiàn)到的這種宏偉壯觀的星系。這些處在萌芽階段的天體可能存在于大爆炸后4億年左右，只有宇宙現(xiàn)今年齡的3％。韋伯的相機(jī)甚至有可能檢測(cè)到出現(xiàn)時(shí)間更早的恒星發(fā)出的星光。這些恒星都是質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)上百倍的龐然大物，在輝煌而又短暫地度過(guò)一生之后，它們會(huì)發(fā)生爆炸，釋放出大量直到今天仍在宇宙中穿行的光。美國(guó)航空航天局為了能夠驗(yàn)證，理論上我們有可能看到的最久遠(yuǎn)的過(guò)去，他們正不遺余力地建造一臺(tái)挑戰(zhàn)性遠(yuǎn)超哈勃的望遠(yuǎn)鏡。希望韋伯望遠(yuǎn)鏡的將來(lái)，是能夠?yàn)樾乱淮h(yuǎn)鏡開(kāi)山，而不是給老一代望遠(yuǎn)鏡收