窺視137億年前的過去?NASA詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡有望實(shí)現(xiàn)

來源：智能家居時(shí)間：2020-04-12 10:10

原標(biāo)題：窺視137億年前的過去？NASA詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡有望實(shí)現(xiàn)

文 |36氪 jsmdy

編者按：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目準(zhǔn)備多年，耗資龐大。本文作者Susan Karlin講述了該項(xiàng)目現(xiàn)階段進(jìn)展及核心設(shè)計(jì)理念。原文發(fā)表在FASTCOMPANY上，標(biāo)題是：NASA’s amazing space telescope will peer 13.7 billion years into the past

在經(jīng)歷了近25年的等待和幾度推遲之后，耗資96億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡正準(zhǔn)備于2021年發(fā)射升空。

這是一幅科幻小說中的景象: 一座由六角形金鏡組成的高塔矗立在巨大的五層銀色遮陽板和一輛環(huán)形宇宙飛船巴士之上。這些鏡子被拋光到納米級的精度，前面是四臺復(fù)雜的儀器，它們的靈敏度足以破譯外星大氣層成分，并且能夠回溯到時(shí)間最初的黎明。

自去年8月最后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(yùn)來后，這個(gè)14000磅重的機(jī)器人--詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)在加州雷東多海灘諾斯羅普·格魯曼太空公園的一個(gè)洞穴般的無塵房間里組裝完畢。從觀景臺的高度看，它四層樓高的唯一標(biāo)志是穿著白色連身衣的微型工程師們，他們在它的基座上跑來跑去。上個(gè)月底，媒體們受邀參加了這次任務(wù)下一步的簡報(bào)會(huì)，這是記者們第一次看到完整組裝好的天文臺。

“在過去的幾年中，我們將工作分為兩半。直到去年夏天，兩部分工作進(jìn)行了長時(shí)間的‘約會(huì)’，最終才結(jié)合到一起?！敝Z斯羅普·格魯曼公司JWST項(xiàng)目經(jīng)理斯科特·威洛比笑著說?！拔覀儗⑦@兩個(gè)部分放在一起創(chuàng)建了一個(gè)天文臺。我們正在慶祝這一成功?！?/p>

經(jīng)過24年的拖延和無數(shù)次的推遲，這項(xiàng)耗資96億美元的任務(wù)進(jìn)入了最后一年的調(diào)整和測試，之后望遠(yuǎn)鏡將被運(yùn)送到法屬圭亞那的圭亞那太空中心，并于2021年3月發(fā)射。這次太空之旅吸引了來自24個(gè)國家的數(shù)千名科學(xué)家和工程師，他們分別來自美國國家航空航天局、加拿大航天局和歐洲航天局。它在美國各地的幾個(gè)設(shè)施內(nèi)完成建造，重點(diǎn)活動(dòng)是在馬里蘭州的諾斯羅普·格魯曼公司和戈達(dá)德太空飛行中心。

在距離地球100萬英里的軌道上，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將觀測到大約137億年前的過去，在宇宙大爆炸之后的一瞬間(距離地球坐標(biāo)1億年) ，宇宙從暗等離子體狀態(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(yùn)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生存。

威洛比說:“我們的首要任務(wù)是探究:我們來自哪里?只有我們獨(dú)自存在嗎?”“我們從未見過一顆恒星不是爆炸產(chǎn)生的。是什么讓這些“塊狀物質(zhì)”聚集在一起點(diǎn)燃了第一批恒星?每次你認(rèn)為你知道某件事的時(shí)候，你都想證明它，想看看它是怎么發(fā)生的?！?/p>

一開始，最初的宇宙主要成分是氫和氦，后來幾億年的太陽聚變產(chǎn)生了今天發(fā)現(xiàn)的豐富的其他元素。恒星比太陽大300倍，在死于巨大的超新星之前只存在了幾百萬年。該望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)目的是捕捉來自這些爆炸的紅外光的痕跡，當(dāng)這些痕跡被分析時(shí)，將告訴科學(xué)家它們是由什么構(gòu)成的，以及它們形成的環(huán)境。2006年，約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因測量大爆炸產(chǎn)生的宇宙熱量而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)將可能開啟此項(xiàng)研究的下一個(gè)篇章。

“光從哪里來？我們是如何從宇宙大爆炸中走出來的? ” 戈達(dá)德太空望遠(yuǎn)鏡的高級項(xiàng)目科學(xué)家馬瑟說。 “人們對于歷史和家譜著迷。他們想知道，‘我們要去哪兒 ‘ 所以，這是我們要找出的其中的一點(diǎn)?！?/p>

TRAPPIST-1系統(tǒng)內(nèi)的7個(gè)巖石系外行星的藝術(shù)概念，位于距離地球40光年。天文學(xué)家將用詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡觀測這些世界。

從宏觀的角度來看，50億年后也是就是太陽死亡后，找到類地世界是確保人類生存的第一步。更直接的是，望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果可能提供我們地球起源和棲息地變化的線索。

馬瑟說：“更好地了解地球的一個(gè)方法是找到其他地方，找出它們是如何工作的。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(gè)故事。所以如果你能說，‘金星在成為溫室之前是什么樣子的？’或者‘火星在干涸之前是什么樣子的？’然后它會(huì)給你一些提示，你可能需要在地球上做什么來保護(hù)環(huán)境。這些其他地方是一個(gè)小型的實(shí)驗(yàn)室，便于理解?！?/p>

前所未有的挑戰(zhàn)

當(dāng)工程師們在1996年開始考慮詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡時(shí)，他們需要10種當(dāng)時(shí)還不存在的技術(shù)。其中包括一個(gè)直徑為21.3英尺的鏡子，它必須被分解成18個(gè)獨(dú)立的部分，但作為一個(gè)整體來工作; 還有5個(gè)網(wǎng)球場大小的遮陽板，用來阻擋太陽輻射，將望遠(yuǎn)鏡的溫度降到 -388華氏度。整個(gè)裝置必須折疊起來，才能放進(jìn)一個(gè)直徑16英尺的阿麗亞娜火箭整流罩，并按照程序在100萬英里外展開。它還需要新一代的探測器，比以前的探測器更靈敏。

更科學(xué)的調(diào)查可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成。”

比爾·奧克斯，戈達(dá)德航天飛行中心

觀察數(shù)十億光年之外的物體需要一面足夠大的鏡子來收集非常微弱物體發(fā)出的光。詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的鏡子大小相當(dāng)于7個(gè)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，可以看到比現(xiàn)有地面望遠(yuǎn)鏡和太空望遠(yuǎn)鏡暗幾百倍的物體。

“哈勃望遠(yuǎn)鏡重25,000磅，有一副2.4米（7.87英尺）的光學(xué)鏡。對于一個(gè)六米半（21.3英尺）的光學(xué)器件，韋伯望遠(yuǎn)鏡的重量為14,000磅?！蓖灞日f。 “因此，我們將光學(xué)元件的收集面積增加了七倍，重量增加了一半，適合火箭安裝。”

這面鏡子沒有使用更重的玻璃，而是用鈹制成，鈹是一種稀有金屬，比鋼更結(jié)實(shí)，但比鋁更輕。然后涂上一層極薄的24K 金，反射98% 的紅外線。戈達(dá)德的 JWST 項(xiàng)目經(jīng)理比爾?奧克斯表示: “這相當(dāng)于一對結(jié)婚戒指所用的黃金?！?。

主鏡將紅外光聚焦到次鏡上，次鏡將紅外光發(fā)射回鏡子后面的四臺科學(xué)儀器，分析紅外波長的范圍，將信息數(shù)字化，然后將其發(fā)送回地球。其中的一個(gè)儀器，近紅外光譜儀，擁有數(shù)以千計(jì)的特別設(shè)計(jì)的可編程微型百葉窗，開口只有幾根頭發(fā)那么大。百葉窗可以更好地減少入射光的體積，并完成同步觀察。

“其他光譜儀器以前也在太空中飛行過，但都沒有能力同時(shí)對多達(dá)100個(gè)物體進(jìn)行高分辨率觀測，” 奧克斯說。 “這意味著更多的科學(xué)研究可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成?！?/p>

保持低溫

JWST儀器將測量近紅外光譜至中紅外光譜，其中波長為0.6到28微米，分別接近紅色和微波。紅外線使我們能夠看到更遠(yuǎn)的宇宙(因此，回溯到更早的時(shí)間) ，因?yàn)橛钪嬲谂蛎?，產(chǎn)生紅移效應(yīng)。遠(yuǎn)離我們的物體會(huì)釋放出更長的電磁波長，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(xué)成分，機(jī)載攝譜儀將測量在行星穿過其軌道時(shí)，來自母恒星的不同元素對應(yīng)的紅外光波動(dòng)。

由于紅外攝像機(jī)對輻射（即光和熱）更敏感，因此望遠(yuǎn)鏡必須與太陽及其在地球和月球上的反射光相距足夠遠(yuǎn)，并具有能阻擋太陽光線并保持望遠(yuǎn)鏡活動(dòng)的防護(hù)罩，保持足夠冷的溫度以避免來自望遠(yuǎn)鏡的紅外輻射的干擾。

“在寒冷的一面，光學(xué)元件的溫度是 -388華氏度，因?yàn)槟鞘撬麄兪占t外光的地方，”威洛比說。 “在炎熱的一側(cè)，設(shè)備總線所在，陽光照射下溫度達(dá)到185華氏度。因此我們制造了近600華氏度的差異。有趣的是，如果是防曬霜的話，那就是100萬SPF。”

低溫冷卻器將科學(xué)儀器進(jìn)一步冷卻至-448?F。奧克斯說：“那些探測器是如此靈敏，實(shí)際上我們必須使其溫度比被動(dòng)達(dá)到的溫度還要低。”

配備“兔子服”

就像2020年的火星探測器一樣，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的建造需要潔凈的無塵室作為原始條件。工程師穿著“兔子服”，即白色聚酯連身褲，短靴，頭巾，手術(shù)口罩和乳膠手套。鏡子已被拋光至表面圖形精度在20納米以內(nèi)，小于單個(gè)細(xì)菌的大小。威洛比說?！澳愕脫?dān)心每一?；覊m，人們穿什么，甚至古龍水和香水。事實(shí)上，你能聞到它們意味著它們釋放出原子和分子。我們不希望那些分子附著在遮陽板或鏡子上?！?/p>

隨著最后一次熱測試的完成——對光學(xué)、屏蔽和總線進(jìn)行溫度極值測試——過去一年中最大的挑戰(zhàn)是如何將光學(xué)和遮陽板結(jié)合起來。雖然只花了一天就完成了，但這是多年計(jì)劃和實(shí)踐的結(jié)果。

威洛比說:“我們的工程師只是制造設(shè)備來幫助部署?！薄笆聦?shí)證明，他們的工作和建造進(jìn)入太空的東西一樣困難。”

重力可能是我們目前所面臨的最棘手的問題。”

諾斯羅普·格魯曼公司的斯科特·威洛比

部分挑戰(zhàn)是復(fù)制失重狀態(tài)或解釋重力。一旦進(jìn)入軌道，光學(xué)儀器和遮陽板將分開4英尺，以便讓遮陽板展開。但是在地球上，要把8000磅的望遠(yuǎn)鏡安裝在防護(hù)罩頂上的6根柱子上。他們能夠在70磅的失重狀態(tài)下通過復(fù)雜的馬達(dá)、天花板滑輪和墻上的平衡重物來模擬。

威洛比說:“重力可能是我們目前最棘手的問題?！薄霸谔罩校鼘⒁粤阒亓ζ?，所以當(dāng)我們將光學(xué)儀器降落在頂部時(shí)，它必須接觸到6英尺的角落，并被定位到0.04英寸內(nèi)。失之毫厘就有可能失敗?！?/p>

團(tuán)隊(duì)用模型和激光追蹤器練習(xí)了半年，然后才嘗試真正的實(shí)驗(yàn)?！斑@可能是我們做過的最復(fù)雜的部署之一，”他補(bǔ)充道?！斑@是完美的。真的很完美。”

未來一年

在接下來的一年里，團(tuán)隊(duì)將在離開無塵室之前管理大約400個(gè)任務(wù)。它們包括檢查光學(xué)和防曬罩的部署，通過電氣和環(huán)境檢查運(yùn)行天文臺，以及模擬發(fā)射和航天飛行的聲學(xué)和振動(dòng)。從那里開始，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將通過巴拿馬運(yùn)河進(jìn)行為期兩周的航行，到達(dá)發(fā)射場，發(fā)射場被裝在一個(gè)環(huán)境控制的集裝箱內(nèi)。一旦到達(dá)目的地，工程師們將花費(fèi)72天時(shí)間執(zhí)行另外800項(xiàng)任務(wù)，直到它最終發(fā)射升空。 (在赤道附近發(fā)射可以利用地球自轉(zhuǎn)的動(dòng)量將其彈射到太空，從而減少火箭燃料的消耗。)

同時(shí)，位于巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學(xué)的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STSI）是JWST的運(yùn)營中心，一直在排隊(duì)研究天文學(xué)。由于天文臺的頭六個(gè)月已經(jīng)安排好了，STSI將從預(yù)計(jì)的1500個(gè)科學(xué)提案中進(jìn)行選擇，以填補(bǔ)第一年的剩余時(shí)間。該研究所將每年發(fā)布新提案的申請，并為各自的科學(xué)團(tuán)隊(duì)歸檔收到的圖像。

并非所有 JWST 的發(fā)現(xiàn)都在未來。它的一些技術(shù)已經(jīng)在地球上得到了應(yīng)用。例如，眼科顯微鏡的聚焦裝置就是由設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡鏡片的工程師發(fā)明的。 “所以這其中有一種你從未見過的聯(lián)系，”馬瑟說。

一旦進(jìn)入軌道

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將花費(fèi)近三周的時(shí)間到達(dá)軌道——一個(gè)被稱為第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)或L2的位置，在那里，地球和太陽的引力使一個(gè)物體能夠以與地球相同的速度旋轉(zhuǎn)太陽。在發(fā)射過程中，地面控制人員將命令178個(gè)裝置組合在一起，以便打開并開始探測器的程序部署。

“那些報(bào)道過火星著陸器的人說他們經(jīng)歷了‘7分半鐘的恐怖’?奧克斯說，他指的是“好奇號（火星車）”那部引人入勝的預(yù)告片。“我開玩笑地說，我們這是‘兩個(gè)半星期的高度焦慮’。

一旦進(jìn)入軌道，在接下來的6個(gè)月里，將會(huì)有大約500種不同的活動(dòng)通過航天器、科學(xué)儀器和望遠(yuǎn)鏡使其運(yùn)轉(zhuǎn)。然后，科學(xué)研究就可以開始了。

最終，通過精心的管理，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將攜帶足夠的聯(lián)氨燃料，使其能夠運(yùn)行長達(dá)14年。戈達(dá)德太空望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)研究小組正在進(jìn)行一項(xiàng)機(jī)器人加油任務(wù)，這項(xiàng)任務(wù)可以進(jìn)一步延長天文臺的壽命。

“這是一個(gè)非常令人興奮的時(shí)期，因?yàn)樗械氖虑槎紖R集到一起，”奧克斯說。 “我們期待著啟動(dòng)這項(xiàng)科學(xué)研究。所有這些人在這段時(shí)間里一直在一起工作。我的員工在他們的孩子很小的時(shí)候就開始為我工作，現(xiàn)在他們的孩子已經(jīng)大學(xué)畢業(yè)了。”

來源：36氪

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