2018，全球最大太空望遠鏡發(fā)射

李和昌

2018年，太空領域又將迎來一項意義重大的事件：全球最大的太空望遠鏡，即韋伯望遠鏡將飛向太空，去探索星系最古老的祖先和宇宙中的第一代恒星。它揭露銀河系中恒星及行星的形成過程，甚至有機會首先發(fā)現(xiàn)宇宙中其他地方存在生命的證據(jù)。

發(fā)射姍姍來遲

韋伯望遠鏡原計劃于2014年發(fā)射，但由于項目超支等原因，不得不推遲了4年時間。質(zhì)量為11噸的哈勃望遠鏡在1990年4月24日發(fā)射升空，迄今為止已經(jīng)工作了27年，退役日期將是2040年。同它相比，韋伯望遠鏡的質(zhì)量要輕一半左右，能力卻要強很多很多。首先，它將是人類建造的最大太空望遠鏡，其收集區(qū)域的面積相當于哈勃望遠鏡7信。其次，它將用于收集紅外光，而哈勃望遠鏡對此則不太敏感。

韋伯望遠鏡的主反射鏡由鈹制成。在軍工領域，鈹是一種非常關(guān)鍵的材料，主要用在洲際彈道導彈、航天器和核彈頭上。鈹在地殼中的含量雖然不像貴重金屬那么稀少，但在探明的幾十種鈹?shù)V石之中，只有綠寶石等少數(shù)幾種材料具有進行工業(yè)開采和提煉鈹?shù)哪芰ΑＶ谱麋R片不僅僅需要價格非常高的材料，而且加工的精度要求也極高。韋伯望遠鏡的主鏡由18塊鈹制的六邊形鏡片拼接而成，每一塊都要經(jīng)過無數(shù)道工序的打磨，接受無數(shù)次苛刻的檢驗。每個鏡面的拋光誤差不得超過10納米（1納米=10^-9米）。比如，頭發(fā)絲的精度為0.05毫米左右，將它平均剖成5萬根，每根的厚度就是1納米。反映到造價上來，韋伯望遠鏡是極其高昂的，它要花費87億美元。

觀測更遠深空

美國舊全山灣附近一個光學實驗室里，一塊暗灰色反射鏡片豎立在一個低矮平臺上。這塊經(jīng)過精密切削和打磨的鈹板呈完美的正六邊形，厚約5厘米，寬超過12米，在實驗室微弱燈光的映照下泛著亮光。不過，這塊鏡片的背面幾乎是空心的，被機械師給掏空了，只留下一個由眾多細肋條構(gòu)成的、錯綜復雜的三角形龍骨。它的精密幾何結(jié)構(gòu)美得令人心動。整塊反射鏡片原重250千克，經(jīng)過打磨掏空后，僅重21千克。如此輕的質(zhì)量，以至于一枚火箭就足以推舉侶塊這樣的反射鏡升入太空。這些曲面鏡將在那里拼接成一塊大反射鏡，構(gòu)成有史以來人類發(fā)射過的、最具雄心的空間天文臺的核心部件。

韋伯空間望遠鏡經(jīng)常被描述成哈勃望遠鏡的繼任者，韋伯的科學儀器對紅外輻射靈敏，而哈勃上的設備主要觀測可見光。韋伯望遠鏡也不會像啥勃空間望遠鏡那樣直接繞地球旋轉(zhuǎn)，而是在距離地球大約150萬千米外的空間盤旋，以便更好地避開地球發(fā)出的熱輻射。韋伯空間望遠鏡還將完成一系列高難度的“花式”機動飛行。計劃是韋伯空間望遠鏡首先會被“打包”以便塞進運載火箭的貨艙，而一旦升空，它將像破繭而出的蝴蝶展開翅膀那樣把自己展開。任何一處發(fā)生故障，這臺望遠鏡就可能無法運行。但是，要在茫茫深空中把侶塊鈹制反射鏡拼接成一大塊平滑如一的鏡面，這讓光學技師承受到了前所未有的壓力。

工藝精益求精

美國廷斯利公司的工程師承接了這項艱巨的任務。在韋伯望遠鏡研制初期，天文學家一度認為，鏡片應該用超低膨脹率的玻璃來制作。這種玻璃在溫度變化時能夠維持自身的形狀。然而，當光學技師制作了幾塊測試鏡片，把它們置于望遠鏡將要經(jīng)歷的嚴寒環(huán)境中檢測時，這種玻璃發(fā)生了某種形式的彎曲，可能導致望遠鏡完全報廢。實驗發(fā)現(xiàn)，鈹在這樣的環(huán)境中表現(xiàn)僵硬，效果反倒不錯。

不過，用料上的這一改變使鏡片的制造進度又拖慢了一年，因為鈹需要花更長的時間來拋光。制作一塊鈹鏡，又不能在其中留下任何應力，這是極其困難的。對鈹表面的切削和雕琢會讓余留下來的金屬向上彎曲。制作團隊必須除掉這層產(chǎn)生應力的金屬，方法有兩種：要么用酸把它慢慢地腐蝕掉，要么用某種鋒利的工具把它刮掉。這是一道既乏味冗長、又勞心費力的工序。

一塊塊鈹鏡片被安放在計算機控制的一臺拋光機上。一個形狀類似于手風琴的黑色風箱發(fā)出陣陣聲音，輕柔地推動著一個機械臂在鏡面上來回移動。機械臂的前端裝有一個飛盤大小的拋光頭。計算機發(fā)出指令，決定著旋轉(zhuǎn)的拋光頭在每一個位置工作的時長，以便精確地磨去特定數(shù)量的鈹。

光學技師在廷斯利的計量實驗室測量這些鏡片的鏡面精度。計量實驗室是一個完全封閉的空間，內(nèi)部的溫度和氣流都受到嚴格控制。技師們使用全息圖、紅外激光和其他工具，精確測量鏡面上幾十萬個點的高度。一塊鏡片要在拋光機和計量實驗室之間輾轉(zhuǎn)幾十次，形狀和光潔度才能符合要求。

接下來，每塊鏡片都要被空運到航天科技公司。在那里，工程師會將它連接在石墨制成的飛行載具上。再把飛行載具固定在六邊形鏡片背面的網(wǎng)格狀龍骨上，把鏡片安置到望遠鏡的正確部位。接下來，它將被運往航天中心，在真空室中用液氦冷卻到25K（開氏溫標），并加以檢測。在這樣的環(huán)境下，金屬會發(fā)生細微的彎曲形變，都會被光學技師詳細記錄在案。然后，這塊鏡片會重新回到加利福尼亞，廷斯利公司會在光學技師記錄數(shù)據(jù)的指導下，對它進行輕微拋光，以消除鈹進入寒冷（-157℃）的太空環(huán)境之后可能發(fā)生任何形式的彎曲。

汲取前輩經(jīng)驗

廷斯利的工程師在磨制鏡片時，讓他們不敢大意始終銘刻在心的是，哈勃空間望遠鏡犯過的一個令人大跌眼鏡的錯誤：由于工程師看漏了一個測量誤差，哈勃的主鏡被磨成了錯誤的形狀。直到升空3年后，宇航員搭乘航天飛機為哈勃望遠鏡安裝了矯正鏡，這個錯誤才得到糾正。哈勃望遠鏡的活動位置是離地表600千米的低軌道上，所以可以亡羊補牢，而韋伯望遠鏡的工作位置要遠得多，它距離地球150萬千米。如此遠的距離，要派航天飛機進行維修簡直太遠了。因此在設計之初，就沒有考慮要派人進行維修的因素。

為了吸取哈勃的經(jīng)驗教訓，美國國家航空航天局招募了曾經(jīng)幫助修復哈勃的工程師，請他們?yōu)樾峦h鏡工作。當年，為了診斷哈勃的畸形主鏡，工程師開發(fā)出一種技術(shù)，通過研究哈勃模糊的成像來推斷主鏡的形狀。如今，韋伯望遠鏡將采用同樣的技術(shù)來保持聚焦的準確。在移動這臺望遠鏡指向天空中不同位置的時候，必然會產(chǎn)生熱梯度，導致望遠鏡輕微變形，不過與其他空間天文臺不同的是，韋伯望遠鏡將采用主動式可調(diào)節(jié)鏡面來抵消這些變形。

首先，望遠鏡上一些設備中的小透鏡會形成一些對焦不實的圖像，就像曾經(jīng)困擾過哈勃的模糊圖像一樣。對這些照片進行分析后，控制中心會發(fā)送無線電指令，激活每塊鏡片背后的7個微型馬達。每個馬達都能獨自推拉鏡面，使它發(fā)生不超過10納米的位移。這讓天文學家有能力控制每一塊鏡片的曲率，還有它與相鄰鏡片的相對位置。控制中心大約每兩個星期就會把這套程序執(zhí)行一遍，校準主鏡的形狀。

當然，韋伯望遠鏡必須一開始就讓自己正確地展開。確切地說，各攜帶3塊鏡片折疊起來收在兩側(cè)的兩瓣“葉片”，必須正確打開以拼接出完整的主鏡。一塊75厘米寬的副鏡也必須固定就位，憑借3根細長的支架懸于主鏡上方7米處，把光反射回主鏡中心，讓那里的科學儀器記錄觀測數(shù)據(jù)。

不過，最讓天文學家憂心的不是打開主鏡，而是張開寬11米、長19米排球場大小的巨型遮陽板。如果遮陽板不能正常工作，太陽發(fā)出的熱量就會讓韋伯望遠鏡變成瞎子。因為韋伯是靠觀察目標星體發(fā)出微弱的紅外線獲得信息的，所以望遠鏡必須處于極冷的環(huán)境工作。如果它被太陽光或地球熱量加熱，則望遠鏡本身產(chǎn)生的紅外線將會淹沒目標紅外線，看不見天文學家希望它看見的大多數(shù)目標。韋伯空間望遠鏡將在完成消除大部分“變形”之后，抵達它位于太陽系內(nèi)的目的地——距離地球150萬千米，處在茫茫深空中的一個引力平衡點。這一位置在第二拉格朗日點附近，由于所處位置的引力相對穩(wěn)定，因此對于鄰近的天體來說位置相對固定，無需頻繁地修正位置，觀測更加穩(wěn)定，且不受地球軌道附近灰塵的影響。

在韋伯望遠鏡的背后，總共有20個國家都作出過很大的貢獻，包括美國、意大利、荷蘭、挪威、捷克、瑞典和英國等。2018年，這個重大的時刻即將到來。計劃用于發(fā)射韋伯望遠鏡的是“阿利亞娜-5”運載火箭，它是個質(zhì)量高達777噸的巨物，總體高度為52米，相當于17層樓高。該型火箭擁有強大的運載能力，將韋伯望遠鏡發(fā)射升空應該毫無問題。在發(fā)射6個月后，韋伯望遠鏡將正式投入運營，這無疑將是人類尋求宇宙奧秘的又一重大步驟。

（責任編輯：曹偉 責任校對：司明婧）endprint