威力恐怖如斯的韦布望远镜竟然还有这段“黑历史”

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这两天天文界出了件大喜事——韦布望远镜拍摄的首批照片,终于上线刷屏啦!这些照片哪儿哪儿都有,这里就不多说了,咱们今天重点讲讲这架超级望远镜的黑历史,没错,它不仅是鸽子王,吞金兽,还是能吓死项目经理的经典(不那么正面的)教材……

想象一下,你有个朋友,约你一起出去看星星,结果今天说望远镜没准备好,明天说家里有点事,后天说没钱给车加油了……对这么爱放别人鸽子爽约的人,我们早就友尽了。但天文界里就有这么一位传奇,一鸽再鸽叒鸽了14年多,却仍然让人又爱又恨还充满了期盼……

它就是传说中詹姆斯韦布太空望远镜(James Webb Space Telescope, JWST),这架太空望远镜于1996年立项时,目标是2007年上天。然而它经历了不断的拖延、追加经费、乃至几乎流产等一系列折腾,活活拖了14年。2021年12月22日(好像)真要出发了(才怪,一直拖到12月25日才发射)!只要搜索韦伯望远镜,就会发现关于它的新闻全是又双叒叕延期了……

韦布望远镜的名字,来自领导过阿波罗登月计划的NASA第二任局长詹姆斯韦布(James Webb),但它最初的名字是“下一代太空望远镜”(Next Generation Space Telescope),这里的“下一代”是相对哈勃太空望远镜而言的——它的官方定位是哈勃继任者。过去它一直叫韦伯望远镜,后来标准译名才变成了“韦布”。

韦布望远镜的主要任务,是要比哈勃看到更深更远的宇宙深空,追溯宇宙在132亿年以前、刚刚形成初代恒星和星系时的婴儿期相貌。它的观测结果,将为宇宙的早期演化史提供重要数据。韦布望远镜的成像原理示意图 来自NASA

因为光的传播需要时间。比如你现在看到的其实是1纳秒前的手机屏幕,举头望明月看到的则是1秒前的月亮、长安白日照春空的阳光是500秒前从太阳表面出发的。而架起天文望远镜,你将看到是102个月前的天狼星、1340年前的猎户座大星云、250万年前的仙女座大星系……总之,视线越远,看到的景象就越古老。

所以,韦布望远镜给宇宙小时候拍照片的原理很“简单”:使劲往远处看就是了。

可是,宇宙空间在不断地膨胀。初代恒星的星光,出发时还是紫外线和可见光,百亿年后到达地球时,已经被宇宙膨胀“抻”成了橙红色光和红外线。当研究近处孕育的新恒星时,能从星云尘埃中跑出来报信的,也是波长较长、衍射能力较强的红外线微米的波段工作,正好适合观测这些红外线。

上面这一大段没看明白没关系,看一下对比图就清楚了,右图中使用红外线波段观测,弱化了干扰,明显能比左图看到更多更清晰的星星。可见光和红外线波段的观测对比,红外线能“透过”星云照射出来

一方面,地球大气层能够吸收红外线,某些波段的红外线根本就进不来。而从时空尽头远道而来的红外线,本已奄奄一息,经过大气过滤后,更是缺斤少两。另一方面,红外辐射无处不在,温暖的地球大气,本身就是巨大的红外干扰源,这些都会使望远镜在红外线波段无法很好地观测。

因而,在地面上可没法好好研究宇宙最深处传来的红外线。哪怕是那些最强大的地面望远镜们,如中国“天眼”FAST、甚大天线阵VLA,在建的欧洲极大望远镜E-ELT,都不适合做这方面的研究。地球大气层在各波长的透光率,波谷就是被吸收掉了

哈勃在540公里的高度绕地飞行,这里依然有稀薄的大气,并且无法逃避红外烘烤——当飞到白昼区时,如果扭头不看太阳,就躲不开地球那张明晃晃的大脸——被照亮的望远镜本身也会制造红外辐射干扰。好在,哈勃不用太在意,是因为它主要工作在紫外和可见光波段。

而主打红外观测的韦布可不能在这种环境下工作,因此它的的最终选址,是日地拉格朗日点L2,L2处于地球轨道外围,距地150万公里(地月距离的4倍)。在这里,韦布望远镜能和地球以相同的周期,并驾齐驱绕日公转。韦布望远镜轨道示意图 来自NASA

这里没有大气,而且太阳、地球、月球这些干扰源都在同一方向,只要把这个方向挡住,就能够心无旁骛地静听宇宙深处传来的第一声婴啼。飘荡在L2的韦布望远镜效果图,太阳、地球、月球永远被遮挡在同一方向

不过,就算把韦布送上了天,如果这望远镜自身配置不够强大,那也是白搭,韦布望远镜就堆了一身的好东西,那么都有哪些呢?

接着上文挡光的事继续说,韦布望远镜并非固定在L2上,而是围绕L2画圈飘荡(如下图所示)。韦布望远镜轨道示意图 来自NASA

为了把各个可能角度的阳光遮挡严实,韦布望远镜配备了一个巨型遮光罩。它大致是个菱形大风筝形状,长径21米,短径14米,面积堪比一个网球场。这个遮光罩共有五层镀铝(前两层掺杂硅)的聚酰亚胺膜,每层膜薄如办公用的透明胶带,并且互相分离。遮光罩的等尺寸测试件 来自NASA

这是因为,在多层膜之间,热量只能通过辐射传递,最终呈指数衰减。测试数据表明,遮光罩的阳面接受300千瓦的辐射功率时,阴面只有23毫瓦的输出,这样的性能,足以在受光面温度高达85℃时,保证背阴面的望远镜稳定在-233℃以下“暗中观察”,窥探宇宙诞生的秘密。真暗中观察,左图来自NASA

观测的波长越长,需要的镜面就越大,地球上那些动不动直径几百米的巨物就是如此。为了更好地观测红外线,韦布望远镜需要一个比哈勃更大的镜面。韦布望远镜和哈勃望远镜的主镜面尺寸对比 来自NASA

哈勃的主镜直径都已经有2.4米,高过姚明了,而韦布的主镜直径有6.5米,大约有两层楼高。这面巨镜的性能相当卓越:在2微米的红外波段,韦布的分辨力可达0.1角秒,相当于能在80公里外看到一个乒乓球。这让韦布能看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体,是人类肉眼观测极限的100亿倍。一个人类和韦布、哈勃合影(左起第一位是韦布)来自NASA

有趣的是,韦布的大镜子面积是哈勃的6.25倍,但竟然比哈勃的还要轻(625千克VS 1000千克)。这里又有高科技了:哈勃的镜板用的是玻璃,密度是2.5克每立方厘米,而韦布的镜板更轻薄,用的是金属铍,密度只有1.85克每立方厘米,这样单位面积的镜板的质量只有哈勃的10%。铍除了够轻,够硬,更重要的是在望远镜所在的极冷环境下,形状比玻璃的还稳定。美中不足是它颜色灰暗,反射率不佳,所以人们在铍镜面上镀了一层0.1微米厚的金——完美。镀金镜面,眼见为实 来自NASA

最后,我们该如何把两层楼高的主镜面、外加一个网球场大小的遮光罩送上太空呢?

显然只有层层折叠后塞进火箭,到了太空再展开了。因此韦布的主镜不是铍板一块,而是由18面正六边形小镜拼接成的。为了使展开后的主镜精准对焦,每块小镜的微调系统要求5纳米的步进精度。展开遮光罩是个更加复杂的任务,需要大约7000个零件协同工作,才能把5层薄膜展开、铺平、绷紧、隔离。韦布折起来以后就成这样了 来自NASA

说完韦布望远镜的主要任务和大致设计,就能解释这台强力又复杂的望远镜为何会成为“鸽王”了。

没别的,就是“脑洞一时爽,执行火葬场”再加上“别看初始预算低,追加坑你没商量。”

回到1996年,当NASA硬着头皮立项时,甚至还不太清楚这么一台望远镜该怎么造。因为许多相关科技领域,诸如材料学、精密加工、自动控制、冷却技术,还没有完全就位。

例如,前文提到的铍质主镜,2001年底才拿到预研演示数据。由于技术上的重重难关,直到2007年,也就是韦布望远镜最初预定的发射年,与之相关的10个重大技术点才刚粗略排除了风险。更何况,除了造望远镜本身,将这么个大家伙打包,准确地送到拉格朗日点L2,本身就是个艰巨的技术挑战。韦布打包示意图 来自NASA

这台望远镜,到2010年才完成关键技术的方案评审,过审后的项目预算已经从最初的5亿美元,暴涨到了65亿。2011年7月,美国国会失去耐心,威胁撤资。幸运的是,11月时,国会息怒了,又加了些银子,预算涨到了88亿美元——这个钱差不多都够造两艘核动力航母了。这场风波过后,项目才到了最终设计制造阶段。

接下来就是设计、制造和测试的漫长循环。之所以漫长,是因为这望远镜部署在150万公里外的拉格朗日点,一旦出现故障,根本无法派人前去维修——这可不像近处的哈勃望远镜,升空后发现对焦不好,还能叫个航天飞机登门“配眼镜”——所以,韦布望远镜必须在地面上反复调试,确保万无一失。如果顺利的话,韦布将会如此展开 来自NASA

但所谓夜长梦多,时间拖了这么久,意外也层出不穷,比如2018年的延期,就是因为试展遮光罩时发生了撕裂,这一延就是两年。再往后,就是五花八门的倒霉事了:新冠肺炎大流行、火箭没准备好……甚至镜体都快入舱了,竟然还能因为固定带意外解绑、再鸽4天……

最终,这项目总花费接近100亿美元。由于它失控的预算,许多其他科研项目筹不到经费,无法开展。业界对它颇有怨念,比如自然杂志就曾批评韦布望远镜“吃掉了天文学”。《吃掉了天文学的天文望远镜》《自然》2010年10月

不过不管怎样,既然天文学已经被韦布吃掉了,那它就得负责啊!我们还是祝詹姆斯韦布太空望远镜好运吧!愿这件凝聚人类前沿科技的结晶如期顺利升空,在今后十年的任务工作顺利,收获满满!韦布加油!原图来自NASA

可能很多朋友最感兴趣的问题,还是这么奇妙的一台太空望远镜能帮助人类找到外星人吗?

找外星人,可以从寻找宜居系外行星入手,而寻找这类行星是另一台太空望远镜——TESS的术业专攻,不是韦布的主业。但韦布还真有能力做这件事!

对于较近的恒星,韦布的超强分辨力可以直接看到它身边的大行星,或者正在吸积成形的行星的炽热星胚。假如行星有从其母星身前经过的机会,韦布可以分析它对恒星光谱造成的变化,判断其大气成分,寻找生命的线索。

韦布望远镜也能自如地观测太阳系内的地外行星和各色小天体,包括卫星、彗星、小行星、矮行星、柯伊伯带,以进一步研究太阳系的形成演化历史。

我们并不奢望韦布在初代恒星身边发现行星。它们太遥远了,实在看不到它们身边的小天体。另外,按照“大爆炸”理论的时间线,初代恒星的身边还没有足够的重元素来构造有坚实地面的行星。

总之,只能说韦布望远镜有发现生命踪迹的实力,但至于能不能真的发现外星人的踪迹,那恐怕还得看运气了。(作者 曲炯 科普作家 作品发表于国家博物馆、国家航天局等 )

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