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耗资96亿美元的韦伯太空望远镜进入最后冲刺 计划在明年发射升空

2020-03-10 10:36:12来源:腾讯科技

在人类探索未知宇宙奥秘的过程中,太空望远镜成为人类的一双千里眼,帮助我们看到更广阔的浩瀚星空。20多年前,美国宇航局、欧洲航天局等机构合作,开始投资96亿美元,建造一代最先进的太空望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜。据外媒最新消息,这个项目目前已经进入了最后的冲刺阶段,计划在明年发射升空。

据国外媒体报道,韦伯太空望远镜看上去像是科幻小说中的一幕——一座高耸的六边形金镜塔,顶在一个巨大的五层银色遮阳篷和一辆圆形宇宙飞船上。望远镜的反射镜被抛光到几纳米的精确度,在一组复杂的仪器前面,这些仪器足够灵敏,能够破译外星大气,并追溯到时间诞生的黎明时分。

自从去年8月最后一批完成的部件从美国宇航局的各个基地运抵以来,在加利福尼亚州雷东多海滩诺斯罗普·格鲁曼太空园区一个干净的厂房中,6.35吨重的韦伯太空望远镜开始逐步组装成型。

从车间有利位置来看,显示这个望远镜四层楼高度的唯一标志是穿着白色连身衣的工程师在它的基座上跑来跑去。这是上个月晚些时候应邀参加任务下一步行动简报的新闻界首次看到完全组装好的韦伯望远镜。

“在过去的几年里,我们分两半工作。”诺斯罗普·格鲁曼公司的韦伯太空望远镜项目经理斯科特·魏罗斌(Scott Willoughby)笑着说:“直到去年夏天,他们在订婚很久之后,然后结婚了。我们把两半放在一起创建了一个太空天文台,我们正在庆祝这一成功。”

在经历了24年和无数次延迟之后,这个耗资96亿美元的任务进入了最后一年的调整和测试,之后韦伯望远镜将被运送到法属圭亚那的圭亚那航天中心,于2021年3月发射到太空中。

韦伯望远镜由美国宇航局、欧洲航天局和加拿大宇航局共同投资建设,这个项目吸引了来自24个国家和地区的数千名科学家和工程师。它在美国各地的几个设施中分别同时建造,其中的重点工厂是诺斯罗普·格鲁曼公司和马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心。

韦伯太空望远镜将会距地球160万公里的轨道上运行,它将在观察宇宙大爆炸后的135亿年的历史。在大爆炸时刻,宇宙从黑暗的等离子体状态过渡到形成第一束光、恒星和星系。它还将分析围绕其他恒星运行的较小岩石系外行星的大气成分,以确定它们对生命繁衍的支持程度。

魏罗斌说:“我们来自哪里,我们是孤独的,这是最重要的使命。我们从未见过不是由爆炸恒星形成的恒星。是什么让块状星体聚集在一起并点燃了第一颗星星?每次你认为自己知道什么,你都想证明给别人看,看看事情是如何发生的。”

起初,婴儿时代的宇宙主要是氢和氦——在亿万年的太阳聚变产生今天发现的大量其他元素之前。当时的恒星比太阳大300倍,在以巨大的超新星死亡之前只活了几百万年。

该望远镜旨在捕捉来自这些爆炸的红外光痕迹,当分析后,将告诉科学家它们是由什么组成的以及它们形成的环境。在测量了大爆炸产生的宇宙热量后,这是宇宙的下一个篇章,约翰·马瑟和乔治·斯穆特因此获得了2006年诺贝尔物理学奖。

“光从哪里来?我们是如何从大爆炸中走出来的?”戈达德大学的韦伯太空望远镜高级项目科学家马瑟说。“人们着迷于历史,他们的家谱。他们想知道,‘我们要去哪里?’所以这是我们发现其中一些的一点点。”

从更大的视野来看,在我们的太阳在50亿年后死去后,寻找类似地球的世界是确保人类生存的第一步。更直接地说,它可能为我们的地球起源和不断变化的栖息地提供线索。

“更好地理解地球的一个方法是找到其他地方,并弄清楚它们是如何工作的,”马瑟说。“我们仍然能够找到我们地质历史的痕迹,但那只告诉你一个故事。所以如果你能说,金星变成温室之前是什么样的?或者火星变干涸之前是什么样的?然后它会给你一些提示,告诉你在地球上需要做些什么来保护环境。这些地方是理解问题的微型实验室。”

空前的挑战

当工程师们在1996年开始谋划韦伯太空望远镜时,他们需要使用10种当时尚不存在的技术。其中包括一面直径为6.5米的大型反射镜,它必须被切分成18个独立的部分,但作为一个整体工作,以及五个网球场大小的遮阳篷,以阻挡太阳的辐射并将望远镜的温度降至超级寒冷的温度。

整个太空望远镜必须折叠起来,以适合直径大约5米的阿丽亚娜火箭整流罩,并按照程序在160万公里之外展开设备。它还需要比以前的探测器更灵敏的新一代探测器。

观察数十亿光年以外的天体需要一面足够大的镜子来收集非常微弱的物体发出的光线。韦伯太空望远镜反射镜的大小相当于七个哈勃太空望远镜的反射镜,可以看到比现在的地面和太空望远镜暗几百倍的物体。

“哈勃望远镜重11吨,有一个直径2.4米的反射镜,韦伯望远镜重量为6.35吨,有直径6.5米的反射镜,”魏罗斌说。“所以我们用一半的重量将光学元件的收集面积扩大了7倍,使之适合发射的火箭。”

镜子不是由更重的玻璃制成,而是由铍制成,铍是一种稀有金属,比钢更坚固,但比铝更轻。然后它被涂上一层薄薄的24K金,反射98%的红外光。“这是一对黄金结婚戒指,”戈达德韦伯太空望远镜项目经理比尔·欧克斯说。

据悉,韦伯望远镜的主镜将红外光聚焦到副镜上,副镜将红外光反射回镜后的四个科学仪器,分析红外波长的范围,将信息数字化,并将其传输回地球。其中一种仪器,近红外光谱仪,装有数千个特别设计的可编程微型快门,光圈只有几根头发那么大。“百叶窗”装置可以更好地减少入射光的量,并实现同步观测。

“其他光谱仪器以前也曾在太空飞行过,但没有一种能够同时对多达100个物体进行高分辨率观察,”欧克斯说。"这意味着更多的科学研究可以在更短的时间内完成."

保持低温

韦伯太空望远镜仪器将测量近红外到中红外光谱,波长为0.6到28微米,分别与红色和微波的颜色相近。红外线使我们能够看到宇宙的更深处(因此,可以追溯到更远的时间),因为宇宙正在膨胀,产生了红移效应。远离我们的物体发出较长的电磁波长,出现在光谱的红色和红外部分。

为了确定系外行星大气的化学成分,当行星穿过它们的路径时,星载光谱仪将测量来自母星的红外光波动——对应于不同的元素。

由于红外相机对辐射(即光和热)更敏感,望远镜必须离太阳及其在地球和月球上的反射光足够远,并且有一个遮挡太阳光线的防护罩,使望远镜足够冷,以避免来自望远镜的红外辐射的干扰。

魏罗斌说:“在寒冷的一面,光学系统在摄氏零下233度度运行,因为那里是他们收集红外光的地方。热端,即类似公共汽车设备所在的位置,阳光灿烂,达到摄氏85度。因此,我们制造了几乎300多度的摄氏温度差。有趣的是,如果那是防晒霜,那将是100万SPF的防晒霜。”

低温冷却器将科学仪器进一步冷却到摄氏零下266度。欧克斯说:“这些探测器非常敏感,我们实际上不得不把它冷却到比我们能被动做到的温度还要低的温度。”

“兔女郎套装”

像火星2020探测器一样,韦伯太空望远镜的建造需要一个没有微粒的洁净车间原始条件。工程师们穿着“兔女郎套装”——白色聚酯连身衣、短靴、兜帽、手术口罩和乳胶手套。

镜子已经被抛光到表面形状精度在20纳米以内,比一个细菌的大小还要小。魏罗斌说:“表面非常光滑,因为任何撞击都会导致光子转向不同的方向。你必须担心每一点灰尘,人们穿什么,甚至用什么香水。你能闻到它们的事实意味着它们散发出原子和分子。我们不希望这些分子附着在阳光或镜子上。”

随着最后一次热测试的完成——使光学器件、屏蔽和总线经受极端温度——过去一年中最大的挑战是将光学器件与遮阳板结合起来。虽然只花了一天就完成了,但这是多年规划和实践的结果。

魏罗斌说:“我们有工程师,他们刚刚制造了帮助部署的设备。“事实证明,他们的工作和建造进入太空的东西一样困难。”

工程师面临的一个挑战是复制失重或解释重力。他们通过马达、天花板滑轮和墙壁配重的复杂“舞蹈”来模拟接近于零重力的场景。

该团队用模型和激光追踪器练习了半年,然后尝试真正的流程。“这可能是我们做过的最复杂的部署之一,”魏罗斌补充道。“太完美了。它真的很美。”

未来的一年

在接下来的一年里,团队将在离开洁净室厂房前完成大约400项任务。它们包括检查光学反射镜和遮阳装置的安装,通过电子和环境检查运行天文台,以及模拟发射和太空飞行的声音和振动。

随后,韦伯太空望远镜号将通过巴拿马运河到发射场,在为期两周的航行中,望远镜将被装在一个环境受到控制的集装箱里。一旦到达那里,工程师们将花72天的时间完成另外800项任务,直到它最终发射升空。(在赤道附近发射利用了地球自转的动量来帮助它弹射到太空,因此只需要更少的火箭燃料。)

与此同时,位于巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学的太空望远镜科学研究所(STSI)作为韦伯太空望远镜的运营中心,一直在排队等待进行天文学研究。

由于天文台的前六个月已经安排好了,STSI将在第一年剩下的时间里,从预期的1500个科学提案中进行选择。该研究所将每年发布新提案的请求,并为各自的科学团队归档收到的图像。

并非所有韦伯太空望远镜的发现都在未来。它的一些技术已经在地球上得到应用。例如,设计望远镜镜的工程师发明了眼科显微镜的聚焦机制。“所以有一种联系是你永远看不到的,”马瑟说。

进入轨道

飞船将需要将近三周的时间才能到达轨道——一个被称为第二拉格朗日点或L2的位置——在这里,地球和太阳的重力结合使得那里的物体能够以与地球相同的速度环绕太阳。在途中,地面控制员将命令178个装置将它固定在一起发射,打开并开始望远镜的部署程序。

“你们中报道过火星探测器的人说他们有‘七分半钟的恐惧’吗?”欧克斯说,他提到了好奇号探测器引人注目的视频。“我开玩笑地称之为‘两周半的高度焦虑’”。

一旦进入轨道,在接下来的六个月里,团队将会执行大约500多个任务,使其投入运行。然后,基于韦伯太空望远镜的科学研究可以开始了

最终,韦伯太空望远镜号将携带足够的燃料,通过精心管理,使其运行长达14年。戈达德的一个团队正在进行一项机器人加注燃料任务,这可能会进一步延长这座太空天文台的寿命。

“这是一段非常激动人心的时期,因为所有零组件都已经集中在一起,”欧克斯说。“我们期待着发射望远镜,所有这些人在这段时间里一直在一起工作。我有一些为我工作的人,他们从自己孩子很小的时候就开始了,现在这些孩子正从大学毕业。”(腾讯科技审校/承曦)

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