太空之眼
——詹姆斯·韦伯空间望远镜

编译/左文文

 

美国国家航空航天局正在研制的詹姆斯·韦伯空间望远镜(简称“韦伯望远镜”)可能会窥视到136亿年以前发出的光子,即宇宙大爆炸之后2亿年时发出的光子。它在红外波段进行观测,能透过尘埃,看到隐藏在它们背后最古老的星系。
韦伯望远镜的“体检”
在美国休斯敦约翰逊航天中心的32号建筑楼内,有一个最不为人所知也可能是最难看的美国国家历史地标。它被简单地命名为“A舱”,这个“地标”是一个空的穹顶室,但有一扇质量40吨、宽12米的大门。
在关闭大门、开启机器设备之后,A舱就摇身一变,成为模拟外太空环境的巨大容器。真空泵在舱内制造出真空环境,液氦和液氮冷却系统使舱内温度降至–262℃,接近绝对零度。在此温度下,绝大多数分子运动都停止了。  
A舱建于1965年,其创新的设计以及对美国“阿波罗”号登月飞船的应力测试工作,为它赢得了地标性地位。如今,它正准备给即将面世的下一代太空机器——韦伯望远镜进行严苛的测试。韦伯望远镜是以美国国家航空航天局前任局长的名字命名的。
在这次为期93天的太空环境模拟中,韦伯望远镜的主镜和仪器设备被安置在一个无尘净室里,该测试将会是一次非常高风险的尝试。
韦伯望远镜的主镜面直径为6.5米,是望远镜的核心,它由18面更小的六边形镜面按蜂窝状拼接而成。相比广为人知但“老迈”的哈勃空间望远镜(简称哈勃望远镜),韦伯望远镜的组装镜面作为一个整体,集光能力增大了7倍。如此巨大的“眼睛”,将会使韦伯望远镜比哈勃望远镜更有能力看到太空中暗弱的天体以及更早期的宇宙。那很可能会带来一些激动人心的新发现,揭开宇宙演化历史中第一代恒星形成时期的秘密。
美国国家航空航天局韦伯计划的主任埃里克·史密斯说:“我们将目睹大爆炸后宇宙的第一缕曙光。”

身价不菲的空间望远镜
韦伯望远镜已经研发了超过20年,造价高达87亿美元,预计2019年发射。除了见证第一缕曙光,它还很可能发现正在形成的最原始星系、在恒星附近正在形成的早期行星系统,甚至看到外星世界的早期生物迹象——假如它们存在的话。除了韦伯望远镜之外,美国国家航空航天局也在对宇宙天文观测站进行巨额投资。甚至在韦伯望远镜上天之前,美国国家航空航天局就将发射“凌星”系外行星搜寻卫星(TESS),它将开展对整个天空的360度观测研究,搜寻银河系中离我们最近的50多万颗明亮恒星周围的行星。
在TESS之后发射的可能就是宽视场红外巡天望远镜(WFIRST),它将主要研究暗能量,这是一种目前仍然神秘的能量,它持续地推动宇宙向外膨胀。此外,至少还有2个空间飞船天文台正在研发之中,它们将分别研究X射线波段的宇宙,以及更仔细地观察宜居的星球。总之,美国国家航空航天局已经为韦伯望远镜和TESS准备了大约92亿美元的经费。美国国家航空航天局一位发言人估计,那些仍处在早期研发阶段的其他望远镜,每个造价数十亿美元。但那些花费可能会物有所值。
美国国家航空航天局的天体物理部主任保罗·赫兹说:“人类一直对宇宙充满好奇心,现在我们的望远镜技术已经能帮助我们解决这些问题。作为一名科学家,现在是最好的时代。” 
 
“险死还生”的韦伯望远镜
与韦伯望远镜在太空中的生存相比,它在地球上为了生存而进行的斗争可能更艰难一些,它差点中途夭折。韦伯望远镜项目在20世纪90年代中期提出,预算5亿美元,计划在2007年发射。但新技术的发明不断推后截止日期,并使预算更改。截至2011年,韦伯已经花费了62亿美元,但发射日期仍无法确定。
美国国会在这种问题上的反应如出一辙,即威胁取消整个项目。尽管这是一个已经花费了数十亿美元的项目,事实上终止这类项目已有一些先例。你听说过在得克萨斯州沃克西哈奇的美国巨型粒子加速器吗?你当然没有听说过,因为现在它仅仅是一个巨大的、毫无用处的隧道,在花费了超过20亿美元之后,由于类似的日期推迟、预算超支等原因,该项目被失去耐心的美国国会于1993年终止。
然而对于韦伯望远镜项目,美国国会最终手下留情。当韦伯望远镜主镜面最终在2012年完成时,经费通道又一次打开了。

韦伯望远镜大揭秘
在这次濒死经历之后,韦伯望远镜接下来面临的巨大挑战,将是当它真正开始工作时所要面对的那些问题。与在地球轨道上568千米高空飞行的哈勃望远镜不同,韦伯望远镜将会停留在距地球接近161万千米远的地方。在那里,它将要围绕一个被称作L2的点转动,这是5个所谓的拉格朗日点之一,在那里,地球和太阳的引力达到了平衡,能够使物体处在一个近似稳定的位置。对于韦伯望远镜来说那是一个很好且安全的地方。
韦伯望远镜的大部分观测区域并不在肉眼可见的光学波段,而在红外波段。红外辐射的主要来源是热辐射,其波长能穿过宇宙尘埃,这些尘埃使得哈勃望远镜无法看到一些最古老、最遥远的宇宙空间。韦伯望远镜面临的问题是,它对温度极其敏感,其镜面上的杂散热辐射将会覆盖并抹去观测的图像信息,类似于杂散光对哈勃望远镜造成的影响。
韦伯望远镜将背对着太阳、地球和月球,面向外太空,并由一个阳光防护罩对它进行保护。防护罩有网球场大小,约为菱形,甚至对A舱而言都太大了。它由5层聚酰亚胺箔式材料构成,每层的厚度和人头发丝的直径一样薄,相邻两层之间的间隔达30.5厘米。最底层面对着太阳,温度可高达85℃,接近水的沸点。向里递进的每一层会变得越来越冷,其间的真空层将进一步起到隔热效果,最终在望远镜那边的温度将低至–223℃。
史密斯说:“5个隔热层将获得足够的冷却效果,因此不再需要一个额外的制冷系统。”。
韦伯望远镜的18面子镜由铍金属制成,铍的分子结构在处理之后,可以使子镜达到类似玻璃的效果,且镜面被进一步抛光。为了提高反射率,需要再敷上很薄的金箔。这层金箔覆盖了25平方米的镜面,它是如此之薄,以至于将它刮下来压实的话,仅相当于一个高尔夫球大小。与此同时,铍的表面被抛光得非常平滑,如果将它放大到美国的国土面积那么大,其最不平整的凸起高度也仅为7.6厘米。
韦伯望远镜不需要隔绝周围的恒星光,这一事实意味着它不需要像哈勃望远镜那样被包裹在一个圆柱形的“房子”里。相反,它可以直接暴露在太空里。这减轻了望远镜的重量,但也将它置于间断性的微流星体撞击的风险中。韦伯望远镜的首席系统工程师道格·麦古菲说:“哈勃望远镜总是被各种东西撞到。”
对韦伯望远镜有利的是,这些微流星体碎片即使在很高的速度下,也没有足够大的质量给韦伯望远镜造成严重的损伤。即使部分镜面在一段时间中被撞击,其背后的驱动器,即微型发动机,也可以调整它们的姿态,重新使其聚焦。麦古菲说:“一面子镜受到的损伤,可以由其他子镜来补偿。”
这样的灵活性将使得韦伯望远镜避免哈勃望远镜所遇到的问题,当哈勃望远镜在1990年发射之后不久,美国国家航空航天局就发现它的主镜面是翘曲的,导致它成了“近视眼”。借助一次太空飞船宇航员执行的维护任务,才将其修好。而韦伯望远镜距离地球近161万千米,人工修复是不可能的。

跨越时间长河的“目光”
当韦伯望远镜开始进行观测的时候,所有那些周全的工程上的考虑才会得到回报。我们的宇宙是个膨胀的宇宙,它会呈现静止宇宙所不能呈现的复杂性。最遥远的区域退行速度最快,因此,它们向我们发出的光在传播过程中就会像紧身衣一样被拉长,波长移动到光谱的红端,这正是建造韦伯望远镜来探测的波段。
在年龄大约138亿年的宇宙里,最红的信号同样也是来自最古老的源。韦伯望远镜将会观测非常接近宇宙最开始的时刻,接收那些大爆炸后2亿年所发出的光子,并将这些信息转化为图像。比如说,它观测到的一个全新的星系的图像将不会是它当下的样子,而是它在136亿年前的样子,就像是宇宙版的新生儿现场视频直播,但网络却花了80年才完成数据传输。视频中的这个婴儿已经步入耄耋之年,而你才刚刚看到他的降生。那种时间胶囊的效果在韦伯望远镜所做的各种观测中都是真实存在的,包括恒星、星云以及最遥远宇宙的其他结构等。

太空探索“家族”
韦伯望远镜的雄心壮志已经使很多人忽视了它的“小妹妹”TESS的能耐,但这个不那么贵的天文观测站(耗资3.78亿美元)却会制造出大新闻。事实上TESS将会首先离开地球,预计在2018年初从卡纳维拉尔角发射,它将会进入普通的地球轨道,并利用两年时间做全天的巡天观测。
TESS的目标是研究离地球最近的50万颗恒星,搜寻它们星光的闪烁,因为这表明了它们周围存在行星绕转。2009年发射的开普勒空间望远镜(简称开普勒望远镜)已经使研究人员得出结论,基本上太空中的每颗恒星都至少存在一颗行星,但开普勒望远镜能看到3 000光年远的地方。考虑到1光年大约是9.46×1012千米,一颗如此遥远的行星是很难研究的。TESS将把自己的研究范围限制在200光年甚至更小。
赫兹指出:“开普勒望远镜伟大的成就是向我们揭示了系外行星的族群,然而那些距离地球最近的系外行星显然是最适合开展后续研究的。”
WFIRST的进展还远不及TESS,目前仍处于前期研究阶段。该望远镜将在与哈勃望远镜相似的波段观测宇宙,但其视场却增大了100倍,这种差别就像分别从吸管和从窗户向外看一样。
即使在所有这些望远镜遨游太空之后,美国国家航空航天局还有更多的计划,这取决于后续的经费情况。特别令人期待的包括猞猁(Lynx)X射线望远镜,它特别适合研究黑洞。还有宜居系外行星成像空间望远镜(HabEx),它将分析系外行星的大气成分,试图寻找与生命相联系的气体,比如甲烷和二氧化碳等。
关于我们人类,有一些特别的现象,比如我们想方设法让所有人吃饱穿暖,并且保护他们的安全,免受其他部族的侵袭。当我们在这个世界中为生存而苦苦挣扎时,我们总是有一只眼睛好奇地看着外面。我们说不清我们到底在期待什么,或是解救,或是同伴,或是终极问题的答案,但我们总是在朝外看去。
建造这些仪器,使我们好奇的目光成为可能,它们并不是很简单或者便宜,也不能像修建道路或者机场等建设项目那样带来实实在在的好处。但它们会带来另一种无可比拟的价值:揭开宇宙最古老的奥秘。如果连这都无法打动人心的话,还有什么可以呢?
(本文作者左文文为中国科学院上海天文台博士)

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