科技｜窺視137億年前的過去？NASA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有望實現

2023-04-01 07:14:24

編者按:詹姆斯·韋伯空望遠鏡項目已經準備了很多年，花費了很多。本文作者Susan Karlin描述了項目的當前進展和核心設計概念。原文發表在FASTCOMPANY網站上，標題是:美國宇航局的神奇太空望遠鏡將窺視137億年的過去

經過近25年的等待和幾次推遲，價值96億美元的詹姆斯·韋伯0+望遠鏡正準備在2021年發射L 空望遠鏡。

這是科幻小說中的一幕:一座由六邊形金鏡組成的高塔矗立在一個巨大的五層銀色遮陽板和一輛圓形宇宙飛船巴士上。這些鏡子被拋光到納米級的精度，前面有四個複雜的儀器，這些儀器足夠靈敏，可以破譯外星大氣的成分，並且可以追溯到最早的黎明。

自從去年八月最後一批完成的組件從美國國家航空航天局在全國各地的基地運抵後，這個14000磅重的機器人，詹姆斯·韋伯特空望遠鏡(JWST)，已經被組裝在加利福尼亞州雷東多海灘諾斯羅普·格魯曼空公園的一個洞穴狀無塵室裡。從觀景臺的高度來看，四層樓高的唯一標誌是穿著白色連衣褲的微型工程師，他們在觀景臺的底部跑來跑去。上月底，媒體應邀參加了特派團下一步的簡報會。這是記者第一次看到完全組裝好的天文臺。

「在過去的幾年裡，我們把工作分成了兩半。直到去年夏天，這部作品的兩個部分才「約會」了很長時間，最終他們走到了一起。諾斯羅普·格魯曼·JWST公司的項目經理斯科特·威洛比笑著說。「我們把這兩部分放在一起創建了一個天文臺。我們正在慶祝這一成功。」

經過24年的拖延和多次推遲，耗資96億美元的任務進入了調整和測試的最後一年。之後，該望遠鏡將被運送到法屬蓋亞那的蓋亞那太平洋空中心，並於2021年3月發射。這次旅行吸引了來自24個國家的數千名科學家和工程師，包括美國宇航局、加拿大航天局和歐洲航天局。它已經完成了美國多個設施的建設，重點是位於馬裡蘭州的諾斯羅普·格魯曼和戈達德空飛行中心。

在距離地球100萬英裡的軌道上，詹姆斯·韋伯的空望遠鏡將觀測大約137億年前的過去。在大爆炸後的瞬間(距離地球坐標1億年)，宇宙從黑暗的等離子體狀態過渡到第一束光、恆星和星系的形成。它還將分析圍繞其他恆星運行的小型巖石系外行星的大氣成分，以確定它們是否適合生命存在。

威洛比說:「我們的首要任務是探索:我們來自哪裡？我們是孤獨的嗎？」「我們從未見過不是由爆炸產生的恆星。是什麼把這些「團塊」聚集在一起並點燃了第一顆恆星？每次你認為自己知道什麼，你都想證明它，看看它是如何發生的。」

起初，宇宙的主要成分是氫和氦。後來，數億年的太陽聚變產生了今天發現的豐富的其他元素。恆星比太陽大300倍，在它們死於巨大的超新星之前只存在了幾百萬年。該望遠鏡旨在捕捉這些爆炸的紅外線痕跡。當這些痕跡被分析時，科學家將被告知它們是由什麼構成的，以及它們形成的環境。2006年，約翰·馬瑟和戈爾格·斯穆特因測量大爆炸產生的宇宙熱而獲得諾貝爾物理學獎，望遠鏡的設計可能開啟這項研究的下一章。

「光從哪裡來？我們是如何擺脫大爆炸的？」戈達德空望遠鏡高級項目科學家馬瑟說。「人們對歷史和家譜著迷。他們想知道，『我們去哪裡？』所以這是我們需要弄清楚的事情之一。"

TRAPPIST-1系統中七顆巖石系外行星的藝術概念是位於距離地球40光年的地方。天文學家將使用詹姆斯·韋伯空望遠鏡來觀察這些世界。

從宏觀角度來看，在50億年後，也就是太陽死後，找到類地世界是確保人類生存的第一步。更直接地說，望遠鏡觀測可能為我們星球的起源和棲息地的變化提供線索。

馬瑟說:「更好地了解地球的一個方法是找到其他地方，並了解它們是如何工作的。我們仍然可以找到我們地質歷史的痕跡，但那只能告訴你一個故事。所以如果你能說，『金星變成溫室之前是什麼樣的？或者『火星在乾涸之前是什麼樣子？然後它會給你一些提示，告訴你在地球上需要做些什麼來保護環境。這些其他地方是容易理解的小實驗室。"

前所未有的挑戰

當工程師們在1996年開始考慮詹姆斯·韋伯的空望遠鏡時，他們需要10種當時不存在的技術。它包括一個21.3英尺直徑的鏡子，鏡子必須分成18個獨立的部分，但作為一個整體工作。還有五個網球場大小的遮陽篷來阻擋太陽輻射，並將望遠鏡的溫度降低到零下388華氏度。整個裝置必須摺疊起來，以適應16英尺直徑的阿麗亞娜火箭整流罩，並按照計劃部署100萬英裡。它還需要新一代探測器，比以前的探測器更靈敏。

"更科學的調查可以在更短的時間內完成."

戈達德太空飛行中心比爾·奧克斯

觀察數十億光年以外的物體需要一面足夠大的鏡子來收集非常微弱的物體發出的光。詹姆斯·韋伯的0+望遠鏡的鏡子大小相當於7個哈勃0+望遠鏡的鏡子大小，它能看到比現有地面望遠鏡和0+望遠鏡暗幾百倍的物體。

「哈勃重25000磅，有一個2.4米(7.87英尺)的光學鏡。對於一個6.5米(21.3英尺)的光學設備來說，韋伯望遠鏡重14000磅。」威洛比說。「因此，我們將光學元件的收集面積增加了7倍，重量增加了一半，這適用於火箭安裝。」

這種鏡子不使用較重的玻璃，而是由鈹製成，鈹是一種稀有金屬，比鋼更堅固，但比鋁更輕。然後塗上一層非常薄的24K金，反射98%的紅外線。戈達德的JWST項目經理比爾·奧克斯說:「這相當於結婚戒指的黃金。」。

主鏡將紅外光聚焦在副鏡上，副鏡將紅外光發射回鏡後的四個科學儀器，分析紅外波長範圍，將信息數位化，然後將其發送回地球。其中一種儀器，近紅外光譜儀，有成千上萬個特別設計的可編程微型快門，快門的開口只有幾根頭髮那麼大。快門可以更好地減少入射光量，完成同步觀測。

「其他的光譜儀器以前也飛行過，但是沒有一個能夠同時觀察到多達100個高解析度的物體，」Ox說。"這意味著更多的科學研究可以在更短的時間內完成."

保持低溫

JWST儀器將測量近紅外光譜至中紅外光譜，波長為0.6至28微米，分別接近紅色和微波。紅外線使我們能夠看到更遠的宇宙(因此，回到更早的時代)，因為宇宙正在膨脹，導致紅移效應。遠離我們的物體將發射更長的電磁波長，出現在光譜的紅色和紅外部分。

為了確定系外行星大氣的化學成分，機載光譜儀將在行星通過其軌道時測量對應於母星不同元素的紅外光波動。

由於紅外照相機對輻射(即光和熱)更敏感，望遠鏡必須離太陽及其在地球和月球上的反射光足夠遠，並且有一個保護罩，可以阻擋太陽光線並保持望遠鏡移動，保持溫度足夠低，以避免來自望遠鏡的紅外輻射的幹擾。

威洛比說:「在寒冷的一面，光學元件的溫度是華氏零下388度，因為它們在那裡收集紅外光。」。「在設備總線所在的熱端，陽光照射下的溫度高達華氏185度。所以我們創造了將近600華氏度的溫差。有趣的是，如果是防曬霜，它的防曬係數是100萬。」

低溫冷卻器進一步將科學儀器冷卻到-448華氏度。奧克斯說:「這些探測器非常敏感，事實上我們必須讓它們的溫度低於被動探測到的溫度。」

配有「兔子服」

像2020年的火星探測器一樣，詹姆斯·韋伯空望遠鏡的建造需要一個乾淨的房間作為初始條件。工程師們穿「兔子服」，即白色聚酯套頭衫、短靴、頭巾、外科口罩和乳膠手套。鏡子已經被拋光到表面圖案精度小於20納米，小於一個細菌的大小。威洛比說。「你必須擔心每一粒灰塵，人們穿什麼，甚至古龍水和香水。事實上，你可以聞到它們，這意味著它們釋放原子和分子。我們不希望這些分子附著在遮陽板或鏡子上。」

隨著最後一次熱測試——光學、屏蔽和公共汽車的極端溫度測試——的完成，過去一年中最大的挑戰是如何將光學和遮陽板結合起來。雖然只花了一天就完成了，但這是多年規劃和實踐的結果。

威洛比說:「我們的工程師只是製造設備來幫助部署。」「事實證明，他們的工作就像建造進入的東西一樣困難。」

"重力可能是我們面臨的最困難的問題."

諾斯羅普·格魯曼公司的斯科特·威洛比

挑戰的一部分是複製失重或解釋重力。一旦進入賽道，光學系統和遮陽板將分開4英尺，以便遮陽板展開。但是在地球上，8000磅的望遠鏡應該安裝在防護罩頂部的6根柱子上。他們能夠通過複雜的馬達、天花板滑輪和牆上的配重模擬70磅的失重狀態。

威洛比說:「重力可能是我們最困難的問題。」「在too 空中，它將在零重力下浮動，因此當我們將光學儀器放在頂部時，它必須接觸到6英尺的角，並且定位在0.04英寸以內。失誤可能導致失敗。」

在嘗試真正的實驗之前，這個團隊練習了半年的模型和雷射跟蹤器。「這可能是我們做過的最複雜的部署之一，」他補充道。「這太完美了。它真的很完美。」

來年

明年，該團隊將在離開潔淨室前管理大約400項任務。它們包括檢查光學和太陽屏幕的部署，通過電子和環境檢查操作天文臺，以及模擬發射和太空飛行的聲音和振動。從那裡，詹姆斯·韋伯空望遠鏡將在巴拿馬運河航行兩周到達發射場，該發射場將被放置在一個環境受控的容器中。一旦他們到達目的地，工程師們將花72天完成另外800項任務，直到它最終發射L 空。(在赤道附近發射可以利用地球自轉的動量將其噴射到太空，從而減少火箭燃料的消耗。)

與此同時，巴爾的摩約翰·霍普金斯大學的tai 空望遠鏡科學研究所(STSI)是JWST的運行中心，一直在排隊學習天文學。由於觀測站的前六個月已經安排好，STSI將從估計的1500個科學提案中進行選擇，以填補第一年的剩餘時間。該研究所將每年發布新提案的申請，並將收到的圖像存檔，供各自的科學團隊使用。

並非所有JWST的發現都在未來。它的一些技術已經應用到地球上。例如，眼科顯微鏡的聚焦裝置是由設計望遠鏡鏡頭的工程師發明的。「所以有一種你以前從未見過的聯繫，」馬瑟說。

一旦進入軌道

詹姆斯·韋伯的空望遠鏡將花費近三周的時間到達軌道，這個位置被稱為第二拉格朗日點或L2，在這裡，地球和太陽的引力使物體能夠以與地球相同的速度旋轉太陽。在發射過程中，地面控制人員命令將178個設備組合起來，打開並開始探測器的程序部署。

那些報導火星著陸器的人說他們經歷了「7.5分鐘的恐怖」？奧克斯說他指的是《好奇號》的精彩預告片我開玩笑說這是「兩周半的高度焦慮」。

一旦進入軌道，在接下來的六個月裡，將會有大約500種不同的活動通過宇宙飛船、科學儀器和望遠鏡進行。然後，科學研究可以開始了。

最後，通過精心管理，詹姆斯·韋伯空望遠鏡將攜帶足夠的肼燃料，使其運行長達14年。戈達德望遠鏡的一個研究小組正在執行一項機器人加油任務，這將進一步延長天文臺的壽命。

「這是一個非常激動人心的時期，因為一切都在一起，」奧克斯說。「我們期待著開始這項科學研究。所有這些人在這段時間裡一直在一起工作。我的員工在他們的孩子很小的時候就開始為我工作，現在他們的孩子已經大學畢業了。」

出發地:36號氪星翻譯局

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