巨鏡“韋伯”即將凌霄

“哈勃”的繼承者

“韋伯”的研制工作始于20世紀90年代，起初稱為“下一代空間望遠鏡”，2002年又以詹姆斯·韋伯冠名。韋伯是美國國家航空航天局（NASA）的第二任局長，在1961—1968年的任期內，卓有成效地領導推進了“阿波羅”計劃和其他一些重大空間探測項目的實施。

“韋伯”是NASA、ESA和加拿大空間局（CSA）的合作項目，素有“哈勃”空間望遠鏡（下簡稱“哈勃”）繼承者之稱。“哈勃”的主鏡口徑是2.4米，“韋伯”則是6.5米，故其靈敏度約為“哈勃”的7倍。“哈勃”以接收來自天體的可見光為主，“韋伯”則基本上是一架空間紅外望遠鏡，觀測波段從可見光紅端（0.6微米）直至中紅外（28.3微米）。“哈勃”的空間軌道高度約600千米，“韋伯”則將定居于日地系統(tǒng)的第二拉格朗日點L2——在日地連線上與太陽相反一側、距離地球約150萬千米處……青出于藍，“韋伯”將完成“哈勃”力所不逮的許多任務，使人類認識宇宙的立足點更上一個新臺階。

研制過程一波三折

研制空間望遠鏡從來不會一帆風順。1975年，科普巨匠阿西莫夫已在《洞察宇宙的眼睛——望遠鏡的歷史》一書中向公眾介紹：NASA打算研制一架大型空間望遠鏡。其實際進程則是：1981年美國為此組建空間望遠鏡科學研究所（STScI），1983年此鏡以“哈勃”冠名，1985年“哈勃”近乎竣工。然而，1986年“挑戰(zhàn)者號”航天飛機失事，發(fā)射“哈勃”的計劃幾近流產(chǎn)。幸好結局總算順利，1990年4月24日，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機攜帶“哈勃”順利升空。

“韋伯”的經(jīng)歷更奇特：1997年項目經(jīng)費預算5億美元，預期2007年發(fā)射上天；2002年經(jīng)費預算增至25億美元，預期發(fā)射時間推遲到2010年；2006年預算達到45億美元，發(fā)射時間更推遲至2014年；2010年預算達65億美元，預期2015—2016年發(fā)射；2013年預算增至88億美元，預期2018年發(fā)射；2018年預算超出88億美元，預期2020年發(fā)射。在經(jīng)歷各種意外事故、預算危機之后，“韋伯”終于箭在弦上，將要上天了。

無數(shù)的技術細節(jié)都必須嚴格檢驗——稱為苛求也不為過。例如，2017年7月開始對“韋伯”的“光學望遠鏡和集成科學設備”（OTIS）模塊進行一系列低溫學真空測試，歷時長達近百天。為了能探測到來自非常暗弱的遙遠天體的紅外輻射，整個“韋伯”必須維持在約40K（約-233℃）的極低溫度，而且它的中紅外設備（MIRI）還特別需要一個低溫降溫器，使其溫度降至7K（-266℃）。這些檢測在NASA約翰遜空間中心的真空室A中進行，該真空室的穹窿形密封大門直徑就達12米，重達40噸！

完整的“韋伯”外觀活像一朵騎在沖浪板上的巨大向日葵。這“向日葵”的花瓣就是望遠鏡的主鏡，全長20.197米，寬14.162米，由18塊正六邊形的反射鏡面拼接而成。鏡面材料是硬而輕的金屬鈹，外表鍍金。“沖浪板”是“韋伯”的遮陽板，由聚酰亞胺鍍鋁制成，上下共5層，每一層僅如人的頭發(fā)絲那么薄。它可以保護望遠鏡免遭來自太陽、地球和月球（“韋伯”位于日地系統(tǒng)的L2點，故日、地、月三者永遠處于它的同一側）的光與熱的影響，確保儀器在低溫下工作正常。

想上天也不容易

“韋伯”的個頭太大了，必須將“沖浪板”和“向日葵”都折疊起來，才能作為阿麗亞娜5型火箭的“乘客”前往太空。在到達目的地之后，再通過約180步的操作重新展開。整個操作流程在前幾年中已演練再三，有一次遮陽板壞了，致使一再延期的計劃再一次延誤。2020年3月，新冠肺炎疫情又使望遠鏡的組裝和檢測被迫推遲。

各種科學設備組裝在一起的“韋伯”，要在美國加利福尼亞州的諾斯洛普·格魯門公司與飛船部分（即組裝在一起的太陽帆和船艙）相整合，進行更廣泛的最終測試。此事也已順利完成。

不言而喻，“韋伯”的研制團隊會充分吸取“哈勃”的種種經(jīng)驗教訓。例如，人們記憶猶新，“哈勃”曾因一個低級錯誤而導致成像質量不佳，后來NASA于1993年12月2日用“奮進號”航天飛機將7名宇航員送入太空前往修復。他們給“哈勃”裝上一個矯正透鏡，其作用有如給人戴上近視眼鏡，最終拍攝的天體照片質量極佳。這樣的錯誤決不容許在“韋伯”身上重演，因為宇航員不可能親臨遠離地球150萬千米的日地系統(tǒng)L2點去維修。如何杜絕此類隱患，“韋伯”已有許多預案和舉措。

將會帶來何等驚喜

在到達日地系統(tǒng)L2點之后，“韋伯”還要進行一系列調試才能正式開展工作。天文學家可真急不可待了，有太多的事情正等著“韋伯”去做呢。例如，當代天文學能夠言之成理地推斷，宇宙大爆炸之后過了幾億年，第一批恒星和星系開始誕生。但是，這一切究竟是如何發(fā)生的？揭秘其詳情細節(jié)，就應該是“韋伯”一顯身手的用武之地。

再如探索系外行星——太陽系外環(huán)繞其他恒星運行的行星，也是當下天文學的熱門研究領域。今天，天文學家探測到的系外行星已經(jīng)數(shù)以千計，它們將是“韋伯”傾情關注的對象，尤其是與我們地球相似度很高的那些星球，會不會有生命棲居？就此而言，特別值得期待的或許當推位于寶瓶座中、距離地球僅40光年的“特拉比斯特-1”（Trappist-1）行星系統(tǒng)了。“特拉比斯特-1”是一顆紅矮星，已發(fā)現(xiàn)它有7顆行星，其中的3顆是大小如地球、且位于宜居帶中的巖質行星。“韋伯”將探明它們的大氣組成，以判斷這些行星是否真正“宜居”。

人們盡可以大膽地想象，“韋伯”或許會瞥見什么樣的新天體，或許會看到什么樣的新現(xiàn)象。但是，更令人驚喜的必定是你全然意想不到的種種新發(fā)現(xiàn)，且讓我們拭目以待吧！

（卞毓麟，天文學家，著名科普作家，科技出版專家。）