深夜鱼塘|韦伯的浪漫

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深夜鱼塘」是篝火营地的一个自留地型栏目,我们的编辑会在这里聊聊不那么严肃的话题。专栏名字来源于「深夜食堂」—— 每个人都有自己的故事,那就在这里讲出来吧。

詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope)是人类有史以来花费最庞大的太空观测设备。它最初构建的计划始于上个世纪 90 年代初期,最早是作为大名鼎鼎的哈勃望远镜的后续计划而开始讨论的,当时计划花费 5 亿美元,于 2007 年发射升空。

后来因为各种原因导致发射计划数次推迟,而自身造价也节节攀升,到 2021 年 12 月 25 日最终发射时,预估总造价已经超过了 100 亿美元,成本是最初计划的 20 倍(哈勃望远镜最初计划成本 2 亿美元,最终发射时成本投入 12 亿美元)。在上天之前,韦伯望远镜被认为是 NASA 制造的有史以来最大的「经费黑洞」。

在太空里孤独地飞行了一个月后,韦伯望远镜成功抵达最终目的地:距离地球约 150 万公里的日地系统拉格朗日 L2 点(相对而言,哈勃望远镜离地球只有 559 公里)。再经过数月的设备展开、调试、和校准,终于在 7 月 12 日这天,由 NASA 向外界公布了首批由韦伯太空望远镜拍摄的全彩色图像。

由韦伯望远镜拍摄的 SMACS 0723 星系团,其中有数千个星系是首次被人类观测到由韦伯望远镜拍摄的 SMACS 0723 星系团,其中有数千个星系是首次被人类观测到

为了拍摄足够清晰的图像,韦伯望远镜的主反射镜被设计成直径为 6.5 米(哈勃望远镜口径为 2.4 米),如果这是一整块镜子,那人类目前还没有能力制造足够大的火箭将它发射到太空中去。于是,这枚主反射镜被切割成 18 块六边形的镜片,先折叠起来发射,到达目的地后再以蜂窝状展开组合成一整块反射镜。

切割后的镜片带来两个巨大的难题。首先,这 18 块镜片不仅要足够平整,而且抛光程度要完全一致,误差必须控制在 10 纳米以内。打个比方,就是如果把这 18 块镜片放大到地球那么大,「那么在镜面上不能看到高于你脚踝高度的山峰或低谷」。

其次,在发射到太空中后,这 18 块镜片需要通过总计 132 个微型马达在展开后定位镜片并进行校准,而每个马达的动作精度同样在 10 纳米,这里我用另一个比方来帮你理解这个数字的恐怖程度:人类的头发直径最短是 0.017 毫米,也就是 17000 纳米。

搞定了这两个可以在地球上想办法解决的难题,接下来就是在太空中的挑战。韦伯望远镜简单来说是一枚红外线望远镜,因为宇宙最古老的星系在形成之时的星光,在穿越几十亿年来膨胀变化的宇宙空间后,已经变成了红外线的波长。而宇宙中热源所发射的同样也是红外线,这个热源不仅是太阳,甚至包括地球以及月亮发出的热量,都会对韦伯望远镜的观测形成干扰。

由韦伯望远镜拍摄的史蒂芬五重星系,其中包括数以百万计的星团和星爆区域,甚至包括 NGC 7318B 星系撞击星团时产生的巨大冲击波由韦伯望远镜拍摄的史蒂芬五重星系,其中包括数以百万计的星团和星爆区域,甚至包括 NGC 7318B 星系撞击星团时产生的巨大冲击波

于是,韦伯望远镜必须要发射到前文提到的日地系统拉格朗日 L2 点,这里不仅离地球足够远,更重要的是在这个点,太阳、地球、月亮都处于同一个方向。韦伯望远镜身后携带着一个巨型的遮阳罩,可以将这三个天体挡在望远镜身后,这样望远镜可以进入一个极寒状态,镜片温度低达零下 223 度,来自于宇宙最深处的远古红外线星光也可以被韦伯捕捉到。

这个遮阳罩就是在太空中面临的挑战之一。因为韦伯望远镜的直径摆在这里,这个遮阳罩展开后的面积大约需要和一个网球场差不多大。这么大的遮阳罩,重量不能超过火箭的承载能力,展开时又要足够稳定,展开后又要足够平整,同时又要具有足够的遮挡热量的性能。最可怕的,是这一切都只能在距离地球 150 万公里的地方自动进行,一旦出错,没有任何补救机会。

除开镜子本身,这个遮阳罩也花了 NASA 工程师数年的时间来解决。最终,他们选择了一种名为 Kapton 的材料来做遮阳罩,这种材料具有优良的化学稳定性、耐高温性、坚韧性、耐磨性、阻燃性和电绝缘性等。这种光滑的银色塑料可以做到厚度只有人类头发直径的程度,通过 Z 形折叠的方式将其收缩起来,和韦伯望远镜一起被发射到太空。

那么接下来的变数,就是因为这个遮阳罩实在是太薄了,而在真空中展开时可能因为各种意外而撕裂,于是 NASA 为其准备了五层的冗余。等抵达预定的位置后,再通过 107 根像猫爪一样可伸缩的固定针将它们展开。同时又准备了另一种方案,来防止固定针的针孔在每层隔离层上因为处在同一位置而形成一条直线,避免阳光穿过这些针孔照在望远镜上而导致升温。

由韦伯望远镜拍摄的南环星云(非正式命名,编号 NGC 3132),图像中心的恒星数千年来一直在向四面八方发出气体和尘埃环,韦伯望远镜首次揭示了这颗距离地球大约 2500 光年的被尘埃所包裹的恒星,左右侧分别为韦伯望远镜上两台不同的相机捕捉到的图像由韦伯望远镜拍摄的南环星云(非正式命名,编号 NGC 3132),图像中心的恒星数千年来一直在向四面八方发出气体和尘埃环,韦伯望远镜首次揭示了这颗距离地球大约 2500 光年的被尘埃所包裹的恒星,左右侧分别为韦伯望远镜上两台不同的相机捕捉到的图像

任何一个小问题都可能让整个计划前功尽弃,正是这样一个又一个「致命难题」,让整个发射计划推迟了 14 年,预算超支 20 倍。然而即便看上去解决了所有能在地球上解决的问题,升空之后的韦伯望远镜依然让所有参与这项工作的人心惊胆跳。

如前文所说,哈勃望远镜距离地球 559 公里,就在低地球轨道上,如果有什么问题,人类随时可以飞过去解决,这也是哈勃望远镜超期服役二十多年的原因,迄今为止哈勃望远镜已经经历了五次重大的维护任务。

但韦伯望远镜被发射到距离地球 150 万公里的地方,无论何种预料之外的问题发生,地球上的工程师除了两手一摊,没有任何补救的办法。发射本身就已经具有风险,飞出地球后还要经历一个月抵达目的地,然后再经过近两个月的时间,数百个全自动化的步骤将镜子和遮阳罩展开,通过精密的校准之后将拍摄的数据传回地球……引用这个项目首席科学家约翰·马瑟的原话:「我们把价值数十亿美元的望远镜放在一堆爆炸物上送上了太空。」

谢天谢地,詹姆斯·韦伯到目前为止一切顺利。从此以后,人类将拥有一枚迄今为止最高清晰度的「太空之眼」,它将在接下来的十多年甚至可能更长的时间里,默默地工作在寒冷而孤寂的太空之中,把人类的视线拓展到宇宙最深远的地方,帮助人类去探索天文学和宇宙学最古老最遥远的物体和事件。而且很有可能会捕捉到第一颗恒星和第一个星系形成时的星光,让我们看到盘古开天辟地时宇宙最初的黎明。

科学是最极致的理性,这背后浪漫的化境,莫过于此。

题图是由韦伯望远镜拍摄的船底座大星云,实际上是船底星云中一个名为 NGC 3324 的年轻恒星内巨大的气态空腔边缘,图中最高的「山峰」大约有 7 光年高。现在它是我的电脑桌面壁纸……题图是由韦伯望远镜拍摄的船底座大星云,实际上是船底星云中一个名为 NGC 3324 的年轻恒星内巨大的气态空腔边缘,图中最高的「山峰」大约有 7 光年高。现在它是我的电脑桌面壁纸……

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