在人類探索未知宇宙奧秘的過程中，太空望遠鏡成為人類的一雙千里眼，幫助我們看到更廣闊的浩瀚星空。20多年前，美國宇航局、歐洲航天局等機構(gòu)合作，開始投資96億美元，建造一代最先進的太空望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。據(jù)外媒最新消息，這個項目目前已經(jīng)進入了最后的沖刺階段，計劃在明年發(fā)射升空。

據(jù)國外媒體報道，韋伯太空望遠鏡看上去像是科幻小說中的一幕——一座高聳的六邊形金鏡塔，頂在一個巨大的五層銀色遮陽篷和一輛圓形宇宙飛船上。望遠鏡的反射鏡被拋光到幾納米的精確度，在一組復雜的儀器前面，這些儀器足夠靈敏，能夠破譯外星大氣，并追溯到時間誕生的黎明時分。

自從去年8月最后一批完成的部件從美國宇航局的各個基地運抵以來，在加利福尼亞州雷東多海灘諾斯羅普·格魯曼太空園區(qū)一個干凈的廠房中，6.35噸重的韋伯太空望遠鏡開始逐步組裝成型。

從車間有利位置來看，顯示這個望遠鏡四層樓高度的唯一標志是穿著白色連身衣的工程師在它的基座上跑來跑去。這是上個月晚些時候應(yīng)邀參加任務(wù)下一步行動簡報的新聞界首次看到完全組裝好的韋伯望遠鏡。

“在過去的幾年里，我們分兩半工作。”諾斯羅普·格魯曼公司的韋伯太空望遠鏡項目經(jīng)理斯科特·魏羅斌(Scott Willoughby)笑著說:“直到去年夏天，他們在訂婚很久之后，然后結(jié)婚了。我們把兩半放在一起創(chuàng)建了一個太空天文臺，我們正在慶祝這一成功。”

在經(jīng)歷了24年和無數(shù)次延遲之后，這個耗資96億美元的任務(wù)進入了最后一年的調(diào)整和測試，之后韋伯望遠鏡將被運送到法屬圭亞那的圭亞那航天中心，于2021年3月發(fā)射到太空中。

韋伯望遠鏡由美國宇航局、歐洲航天局和加拿大宇航局共同投資建設(shè)，這個項目吸引了來自24個國家和地區(qū)的數(shù)千名科學家和工程師。它在美國各地的幾個設(shè)施中分別同時建造，其中的重點工廠是諾斯羅普·格魯曼公司和馬里蘭州格林貝爾特的戈達德太空飛行中心。

韋伯太空望遠鏡將會距地球160萬公里的軌道上運行，它將在觀察宇宙大爆炸后的135億年的歷史。在大爆炸時刻，宇宙從黑暗的等離子體狀態(tài)過渡到形成第一束光、恒星和星系。它還將分析圍繞其他恒星運行的較小巖石系外行星的大氣成分，以確定它們對生命繁衍的支持程度。

魏羅斌說:“我們來自哪里，我們是孤獨的，這是最重要的使命。我們從未見過不是由爆炸恒星形成的恒星。是什么讓塊狀星體聚集在一起并點燃了第一顆星星?每次你認為自己知道什么，你都想證明給別人看，看看事情是如何發(fā)生的。”

起初，嬰兒時代的宇宙主要是氫和氦——在億萬年的太陽聚變產(chǎn)生今天發(fā)現(xiàn)的大量其他元素之前。當時的恒星比太陽大300倍，在以巨大的超新星死亡之前只活了幾百萬年。

該望遠鏡旨在捕捉來自這些爆炸的紅外光痕跡，當分析后，將告訴科學家它們是由什么組成的以及它們形成的環(huán)境。在測量了大爆炸產(chǎn)生的宇宙熱量后，這是宇宙的下一個篇章，約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因此獲得了2006年諾貝爾物理學獎。

“光從哪里來?我們是如何從大爆炸中走出來的?”戈達德大學的韋伯太空望遠鏡高級項目科學家馬瑟說。“人們著迷于歷史，他們的家譜。他們想知道，‘我們要去哪里?’所以這是我們發(fā)現(xiàn)其中一些的一點點。”

從更大的視野來看，在我們的太陽在50億年后死去后，尋找類似地球的世界是確保人類生存的第一步。更直接地說，它可能為我們的地球起源和不斷變化的棲息地提供線索。

“更好地理解地球的一個方法是找到其他地方，并弄清楚它們是如何工作的，”馬瑟說。“我們?nèi)匀荒軌蛘业轿覀兊刭|(zhì)歷史的痕跡，但那只告訴你一個故事。所以如果你能說，金星變成溫室之前是什么樣的?或者火星變干涸之前是什么樣的?然后它會給你一些提示，告訴你在地球上需要做些什么來保護環(huán)境。這些地方是理解問題的微型實驗室。”

空前的挑戰(zhàn)

當工程師們在1996年開始謀劃韋伯太空望遠鏡時，他們需要使用10種當時尚不存在的技術(shù)。其中包括一面直徑為6.5米的大型反射鏡，它必須被切分成18個獨立的部分，但作為一個整體工作，以及五個網(wǎng)球場大小的遮陽篷，以阻擋太陽的輻射并將望遠鏡的溫度降至超級寒冷的溫度。

整個太空望遠鏡必須折疊起來，以適合直徑大約5米的阿麗亞娜火箭整流罩，并按照程序在160萬公里之外展開設(shè)備。它還需要比以前的探測器更靈敏的新一代探測器。

觀察數(shù)十億光年以外的天體需要一面足夠大的鏡子來收集非常微弱的物體發(fā)出的光線。韋伯太空望遠鏡反射鏡的大小相當于七個哈勃太空望遠鏡的反射鏡，可以看到比現(xiàn)在的地面和太空望遠鏡暗幾百倍的物體。

“哈勃望遠鏡重11噸，有一個直徑2.4米的反射鏡，韋伯望遠鏡重量為6.35噸，有直徑6.5米的反射鏡，”魏羅斌說。“所以我們用一半的重量將光學元件的收集面積擴大了7倍，使之適合發(fā)射的火箭。”

鏡子不是由更重的玻璃制成，而是由鈹制成，鈹是一種稀有金屬，比鋼更堅固，但比鋁更輕。然后它被涂上一層薄薄的24K金，反射98%的紅外光。“這是一對黃金結(jié)婚戒指，”戈達德韋伯太空望遠鏡項目經(jīng)理比爾·歐克斯說。

據(jù)悉，韋伯望遠鏡的主鏡將紅外光聚焦到副鏡上，副鏡將紅外光反射回鏡后的四個科學儀器，分析紅外波長的范圍，將信息數(shù)字化，并將其傳輸回地球。其中一種儀器，近紅外光譜儀，裝有數(shù)千個特別設(shè)計的可編程微型快門，光圈只有幾根頭發(fā)那么大。“百葉窗”裝置可以更好地減少入射光的量，并實現(xiàn)同步觀測。

“其他光譜儀器以前也曾在太空飛行過，但沒有一種能夠同時對多達100個物體進行高分辨率觀察，”歐克斯說。"這意味著更多的科學研究可以在更短的時間內(nèi)完成."

保持低溫

韋伯太空望遠鏡儀器將測量近紅外到中紅外光譜，波長為0.6到28微米，分別與紅色和微波的顏色相近。紅外線使我們能夠看到宇宙的更深處(因此，可以追溯到更遠的時間)，因為宇宙正在膨脹，產(chǎn)生了紅移效應(yīng)。遠離我們的物體發(fā)出較長的電磁波長，出現(xiàn)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，當行星穿過它們的路徑時，星載光譜儀將測量來自母星的紅外光波動——對應(yīng)于不同的元素。

由于紅外相機對輻射(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，并且有一個遮擋太陽光線的防護罩，使望遠鏡足夠冷，以避免來自望遠鏡的紅外輻射的干擾。

魏羅斌說:“在寒冷的一面，光學系統(tǒng)在攝氏零下233度度運行，因為那里是他們收集紅外光的地方。熱端，即類似公共汽車設(shè)備所在的位置，陽光燦爛，達到攝氏85度。因此，我們制造了幾乎300多度的攝氏溫度差。有趣的是，如果那是防曬霜，那將是100萬SPF的防曬霜。”

低溫冷卻器將科學儀器進一步冷卻到攝氏零下266度。歐克斯說:“這些探測器非常敏感，我們實際上不得不把它冷卻到比我們能被動做到的溫度還要低的溫度。”

“兔女郎套裝”

像火星2020探測器一樣，韋伯太空望遠鏡的建造需要一個沒有微粒的潔凈車間原始條件。工程師們穿著“兔女郎套裝”——白色聚酯連身衣、短靴、兜帽、手術(shù)口罩和乳膠手套。

鏡子已經(jīng)被拋光到表面形狀精度在20納米以內(nèi)，比一個細菌的大小還要小。魏羅斌說:“表面非常光滑，因為任何撞擊都會導致光子轉(zhuǎn)向不同的方向。你必須擔心每一點灰塵，人們穿什么，甚至用什么香水。你能聞到它們的事實意味著它們散發(fā)出原子和分子。我們不希望這些分子附著在陽光或鏡子上。”

隨著最后一次熱測試的完成——使光學器件、屏蔽和總線經(jīng)受極端溫度——過去一年中最大的挑戰(zhàn)是將光學器件與遮陽板結(jié)合起來。雖然只花了一天就完成了，但這是多年規(guī)劃和實踐的結(jié)果。

魏羅斌說:“我們有工程師，他們剛剛制造了幫助部署的設(shè)備。“事實證明，他們的工作和建造進入太空的東西一樣困難。”

工程師面臨的一個挑戰(zhàn)是復制失重或解釋重力。他們通過馬達、天花板滑輪和墻壁配重的復雜“舞蹈”來模擬接近于零重力的場景。

該團隊用模型和激光追蹤器練習了半年，然后嘗試真正的流程。“這可能是我們做過的最復雜的部署之一，”魏羅斌補充道。“太完美了。它真的很美。”

未來的一年

在接下來的一年里，團隊將在離開潔凈室廠房前完成大約400項任務(wù)。它們包括檢查光學反射鏡和遮陽裝置的安裝，通過電子和環(huán)境檢查運行天文臺，以及模擬發(fā)射和太空飛行的聲音和振動。

隨后，韋伯太空望遠鏡號將通過巴拿馬運河到發(fā)射場，在為期兩周的航行中，望遠鏡將被裝在一個環(huán)境受到控制的集裝箱里。一旦到達那里，工程師們將花72天的時間完成另外800項任務(wù)，直到它最終發(fā)射升空。(在赤道附近發(fā)射利用了地球自轉(zhuǎn)的動量來幫助它彈射到太空，因此只需要更少的火箭燃料。)

與此同時，位于巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學的太空望遠鏡科學研究所(STSI)作為韋伯太空望遠鏡的運營中心，一直在排隊等待進行天文學研究。

由于天文臺的前六個月已經(jīng)安排好了，STSI將在第一年剩下的時間里，從預期的1500個科學提案中進行選擇。該研究所將每年發(fā)布新提案的請求，并為各自的科學團隊歸檔收到的圖像。

并非所有韋伯太空望遠鏡的發(fā)現(xiàn)都在未來。它的一些技術(shù)已經(jīng)在地球上得到應(yīng)用。例如，設(shè)計望遠鏡鏡的工程師發(fā)明了眼科顯微鏡的聚焦機制。“所以有一種聯(lián)系是你永遠看不到的，”馬瑟說。

進入軌道

飛船將需要將近三周的時間才能到達軌道——一個被稱為第二拉格朗日點或L2的位置——在這里，地球和太陽的重力結(jié)合使得那里的物體能夠以與地球相同的速度環(huán)繞太陽。在途中，地面控制員將命令178個裝置將它固定在一起發(fā)射，打開并開始望遠鏡的部署程序。

“你們中報道過火星探測器的人說他們有‘七分半鐘的恐懼’嗎?”歐克斯說，他提到了好奇號探測器引人注目的視頻。“我開玩笑地稱之為‘兩周半的高度焦慮’”。

一旦進入軌道，在接下來的六個月里，團隊將會執(zhí)行大約500多個任務(wù)，使其投入運行。然后，基于韋伯太空望遠鏡的科學研究可以開始了

最終，韋伯太空望遠鏡號將攜帶足夠的燃料，通過精心管理，使其運行長達14年。戈達德的一個團隊正在進行一項機器人加注燃料任務(wù)，這可能會進一步延長這座太空天文臺的壽命。

“這是一段非常激動人心的時期，因為所有零組件都已經(jīng)集中在一起，”歐克斯說。“我們期待著發(fā)射望遠鏡，所有這些人在這段時間里一直在一起工作。我有一些為我工作的人，他們從自己孩子很小的時候就開始了，現(xiàn)在這些孩子正從大學畢業(yè)。”(騰訊科技審校/承曦)

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