韋伯:哈勃接班人

韋伯：哈勃接班人
　　昌河
　　1990年4月25日，由美國航天飛機送上太空軌道的哈勃太空望遠鏡，以2.8萬千米的時速沿太空軌道運行，清晰度是地面天文望遠鏡的10倍以上。同時，它的位置在地球的大氣層之上，因此獲得了地球上望遠鏡所沒有的好處：影像不會受到大氣湍流的擾動，視相度絕佳，又沒有大氣散射造成的背景光，還能觀測會被臭氧層吸收的紫外線。哈勃太空望遠鏡于1990年發射之后，已經成為天文史上最重要的儀器。它填補了地面觀測的缺口，幫助天文學家解決了許多重大問題，對天文物理有更多的認識。哈勃太空望遠鏡通過中繼衛星與地面取得聯系，超深空視場讓天文學家獲得了更深入太空的光學影像，計劃工作15年。
　　美國東部時間2009年5月11日14點01分，美國“阿特蘭蒂斯”號航天飛機從佛羅里達州肯尼迪航天中心發射升空。在此次太空之旅中，機上的7名宇航員通過5次太空行走，對哈勃太空望遠鏡進行了最后一次全面維護，更換了大量的設備和輔助儀器，當時更換名單主要包括：用第三代廣域照相機取代二代照相機；安裝新的宇宙起源頻譜儀并取回該處的光學矯正系統；修復損壞的先進巡天照相機：修復損壞的空間望遠鏡攝譜儀；替換損壞的精細導星傳感器；更換科學儀器指令和數據處理系統：更換全部的電池模組；更換所有的6個陀螺儀和3組定位傳感器；更換對接環、安裝全新的絕熱毯、補充制冷劑等等。而這次是哈勃太空望遠鏡的最后一次維護，將哈勃空間望遠鏡的壽命延長至2013年后。
　　
　　風險史無前例
　　
　　美國航空航天局與歐洲及加拿大航天機構耗資50億美元合作研制的韋伯空間望遠鏡，預定于2014年升空接替標志性的哈勃空間望遠鏡。
　　自1990年起，哈勃就在距離地面570千米的軌道上運行，其所拍攝的清晰度是地面望遠鏡的10倍以上，它的觀察能力相當于在華盛頓能看到16萬千米之外澳大利亞悉尼的一只螢火蟲，因此為天文學家提供了遙遠宇宙中星系及鄰近恒星誕生與死亡的最清晰影像。與哈勃一樣，韋伯望遠鏡也必定帶來令人嘆為觀止的宇宙影像，不過韋伯的視力要比哈勃更深邃，看得比哈勃更遠。天文學家設計它的目的，是為了凝望宇宙的開端。它或許會發現大爆炸后誕生的第一批恒星死亡時產生的爆炸，揭露與我們所在銀河系類似的星系起源的過程。它還會把視線深入到氣體塵埃云內部，窺探正在孕育恒星及其行星家族的宇宙“子宮”。為了實現這些目標，韋伯望遠鏡與它的前任將截然不同。它擁有的超輕主鏡口徑將超過6.5米，與哈勃望遠鏡2.4米的主鏡相比，集光能力是后者的6倍。望遠鏡主鏡由18塊鍍金的正六邊形反射鏡拼接而成，為了讓鏡面平滑如一，拼接誤差只有人類頭發粗細的萬分之一。
　　哈勃望遠鏡一直沐浴在地球散發的討厭光芒之中，這意味著它只能在接近常溫下運行。因此，哈勃看不見天文學家非常想要看到的那些遙遠天體發回的微弱紅外線——那些天體散布在可觀測宇宙的邊緣，是今天宇宙中星系的最早祖先。它們的光在出發時本來是肉眼可見的，也能被哈勃的相機拍到。但在傳播到地球所花費的幾十億年時間里，隨著宇宙的膨脹，這些光波已經被拉長，從可見光波段移入了紅外波段。美國航空航天局將把這只蜂巢狀的巨眼發配到比月亮還遠得多的一條環狀軌道上。整個運行期間，韋伯望遠鏡將展開一塊巨大的遮陽板，把鏡身全部籠罩在一片寒冷的陰影中——那里的溫度會降到55K以下，只有這樣，望遠鏡才能夠察覺到歷時130多億年、穿越茫茫宇宙、歷盡千辛萬苦才抵達這里的極其微弱的光和熱。
　　要完成這些壯舉，就必須承擔史無前例的技術風險。由于韋伯空間望遠鏡的運行“地點”距離地球非常遙遠，一旦出錯，就算想派宇航員過去維修，也是不可能做到的。哈勃空間望遠鏡升空運行20多年以來，已經接受過好幾次維修和升級。韋伯望遠鏡就沒有這種“改過自新”的機會。它的設計方案中根本就沒有“維修”二字，所以發射時—切都必須萬無一失。
　　為了飛抵它的運行“軌道”，韋伯望遠鏡必須先折疊起來，塞進火箭狹小的貨艙。為了能夠搭乘這枚火箭升空，韋伯望遠鏡的質量和尺寸都受到了嚴格的限制。升空后，這座空間天文臺還必須遵循一系列復雜的步驟，把折疊起來收在兩邊的鏡片展開并拼接到位。我們甚至可以把它想象成一個折紙望遠鏡，還得讓它在合適的溫度下運轉。
　　質量、大小和溫度這三方面的嚴格限制，以及技術上必須實現的種種壯舉，已經迫使美國航空航天局在韋伯望遠鏡上投入了遠遠超過天文學家原先預期的資金。一些氣餒的美國科學家甚至認為，這座空間天文臺榨干了美國航空航天局用于天文學研究的預算，把其他一些探測任務排擠到了一邊：用來探測引力波、高能宇宙、其他恒星周圍類地行星表面細節的先進探測器，現在都必須排到2020年以后了。就連韋伯望遠鏡的支持者也有些緊張不安，不知道如此巨大的投資能否收到成效，韋伯空間望遠鏡對于研究小組來說，就是一根難啃的硬骨頭。如果進入太空，到時一旦無法展開，那就全完了。
　　
　　新一代望遠鏡誕生
　　
　　對于離我們較近的天體，紅外線也會開辟出一條觀測通道，讓我們的視線能夠穿透重重塵埃的阻隔，看清銀河系里恒星及行星正在孕育和形成的地方。如今，天文學家在檢測外星行星時主要還是用可見光，因此他們只能在氣體及巖石碎屑盤已被“清空”、行星形成過程已經完成的恒星系統中看見行星。不過由于紅外線能夠穿透塵埃，韋伯望遠鏡將揭開行星形成過程中的諸多步驟，幫助我們確定太陽系在宇宙中到底是常見還是罕見的星系。一些行星會從它們母星的正前方經過，給目光敏銳的韋伯望遠鏡提供了一個機會，去檢測它們大氣中的氣體成分。盡管可能性不大，但韋伯望遠鏡確實有機會在某顆行星上發現不穩定的氣體混合物，如氧氣、二氧化碳和甲烷——這將是其他地方存在生命的首個跡象。
　　韋伯空間望遠鏡將用紅外相機和其他一些探測器去檢測最早的星系碎片，看它們如何組裝成今天我們見到的這種宏偉壯觀的星系。這些處在萌芽階段的天體可能存在于大爆炸后4億年左右，只有宇宙現今年齡的3％。韋伯的相機甚至有可能檢測到出現時間更早的恒星發出的星光。這些恒星都是質量超過太陽上百倍的龐然大物，在輝煌而又短暫地度過一生之后，它們會發生爆炸，釋放出大量直到今天仍在宇宙中穿行的光。美國航空航天局為了能夠驗證，理論上我們有可能看到的最久遠的過去，他們正不遺余力地建造一臺挑戰性遠超哈勃的望遠鏡。希望韋伯望遠鏡的將來，是能夠為新一代望遠鏡開山，而不是給老一代望遠鏡收