從“哈勃”到“韋伯”，人類望向宇宙更深處

蘭順正

2021年12月25日圣誕節當天，備受全球天文屆矚目的“詹姆斯·韋伯”空間望遠鏡在法屬圭亞那群島庫魯基地由歐洲阿里亞娜航天公司的“阿里亞娜5ECA+”型運載火箭發射升空，人類探索宇宙的壯舉邁上新臺階。

在了解韋伯望遠鏡之前，先讓我們簡單回顧一下它的“前輩”——“哈勃”太空望遠鏡。“哈勃”望遠鏡是1990年4月24日由“發現號”航天飛機在美國肯尼迪航天中心成功發射升空的，32年來雖然經歷過很多曲折（如升空后第一張照片過于模糊，直到1993年修復了主鏡缺陷并更換相關儀器后才有所改善），但也拍攝到大量令人震撼的宇宙照片，在人類天文觀測史上留下了濃墨重彩的一頁。

據估計，“哈勃”望遠鏡能夠工作到2030年代甚至更久。然而，“哈勃”望遠鏡的兢兢業業無法改變其日益老化的事實，尤其是最近一段時間，“哈勃”身上的計算機時常出現問題，為其準備“接班人”就顯得勢在必行。

其實在“哈勃”望遠鏡升空前一年，也就是1989年，為其建造“繼任者”的項目就已經被提出，當時該項目的名稱叫“下一代空間望遠鏡”（NGST，Next Generation Space Telescope）。經過激烈角逐，美國TRW公司（僅次于洛克希德·馬丁的美國第二大航天制造商）于2002年獲得了美國宇航局（NASA）授予的8.25億美元合同，負責建造“韋伯”太空望遠鏡。按照原先的計劃，“韋伯”定于2007年發射，但隨后由于TRW公司被收購和項目超支、新冠疫情等種種因素，發射時間一推再推，最后推到了2021年，造價也漲到了百億美元。

“韋伯”望遠鏡以NASA第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名，以紀念他對“阿波羅”登月計劃做出的重要貢獻。“韋伯”望遠鏡的質量約為6.5噸，僅相當于“哈勃”望遠鏡的一半，體積卻比“哈勃”大很多。

相比“哈勃”的傳統造型，“韋伯”望遠鏡好似一副空架子上鑲嵌著一個裸露鏡片。“光學望遠鏡模塊”（OTE）是“韋伯”的主結構之一，也是它的“眼睛”，由主鏡、次鏡、三級反射鏡、精細轉向鏡、望遠鏡框架及其控制裝置等組成。其中，主反射鏡的鏡面直徑為6.5米，由18塊呈六邊形的單鏡面組合而成，每塊鏡面背部都有七個用于控制鏡片形狀和朝向的電動機，以幫助鏡片精準聚焦。

研發人員選用鈹作為鏡面材料，這種材料熱穩定性好，能防止鏡面因溫度變形而失效，但是加工難度特別大，拋光誤差必須不超過10納米，為此研發人員耗費了大量時間和精力。拋光后的鏡片還要進行涂層處理，鍍上120納米厚的黃金，這樣就可以提高鏡片反射紅外線的能力，也讓主鏡看起來金光閃閃。在裝入火箭時，主鏡會被折疊起來，等到達太空后再展開。“韋伯”的次鏡、三級反射鏡的材質與主鏡相同，均為鍍金鈹，其中次鏡是一個直徑74厘米的圓形曲面，三級反射鏡則是一個更小的不對稱六邊形鏡片。當“韋伯”工作時，光線由主鏡匯聚起來反射給次鏡，次鏡將光線進一步傳遞給處于望遠鏡中心的三級反射鏡，而后經過精細轉向鏡傳遞給位于主鏡面背面的綜合科學儀器模塊，進行光線的接收與處理。

科學儀器模塊由近紅外相機、近紅外光譜儀、中紅外儀、精細制導傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀等儀器組成。近紅外相機、近紅外光譜儀均能夠觀測0.6～5.0微米的波段，近紅外相機還承擔著18片主鏡的在軌測試和校準任務。精細制導傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀由精細制導傳感器、近紅外成像與光譜儀聯合組成，可以觀測0.8微米～5.0微米的波段，還能幫助望遠鏡以極高的精度指向需要探索的天空。中紅外儀是中紅外波段相機與光譜儀的復合體，可觀測4.6微米～28.6微米的中長紅外波段。

由于“韋伯”的光學望遠鏡模塊需要在極端低溫狀態中工作，以最大程度地確保觀測精度，因此它將被部署到距離地球約150萬公里的日地拉格朗日L2點。這樣，“韋伯”望遠鏡不僅擁有了更廣闊的觀測視野，還能時刻處于地球所投射的陰影之下，最大限度減少光對觀測的干擾。同時，“韋伯”還攜帶有五張網球場大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩，每層隔熱罩均可阻擋約90%的熱量，五層協同工作可以使兩側的溫度差達到約300攝氏度，為望遠鏡主要結構提供低于-223攝氏度的工作溫度。為了能夠容納“韋伯”這樣的“大塊頭”，“阿里亞娜5”火箭對整流罩做了專門改造，增設了用于減小拋罩后壓差、進而減小“韋伯”受力的通氣孔，以減少壓力突降的風險，防止損壞望遠鏡的遮陽罩。

在發射升空后，“韋伯”望遠鏡還要經歷一系列的考驗，才能成功部署。上天后，“韋伯”將在飛往拉格朗日L2點途中陸續展開太陽陣、高增益通信天線以及遮陽罩，隨后展開副鏡，張開主鏡上各帶有三塊子鏡的兩翼，從而把主鏡部署到位。正常情況下，鏡面將會在發射13天后就緒，而這些環節一旦出現任何錯誤，都將很難挽回。

美國宇航局（NASA）公布的“韋伯”望遠鏡成功部署后的效果圖。

據估計，“韋伯”望遠鏡的能力將是哈勃望遠鏡的100倍，其先進的載荷、有利的位置能讓它化身為一部“時光機器”，看到130億光年以外的宇宙，觀測宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙更為久遠的歷史。

按照計劃，“韋伯”望遠鏡一旦部署成功，將執行多項任務，包括：嘗試觀測“大爆炸”后出現的第一批天體，例如星系、黑洞和超新星;觀測星系是如何隨著時間推移而成長的;觀測恒星和行星系統是如何在氣體塵埃云內部形成的;觀測其他恒星周圍的行星以及我們身處的太陽系本身，以了解這些天體系統是如何隨著時間推移成長和變化的，并幫助了解地球是如何具備孕育生命的條件的。

從“哈勃”到“韋伯”，人類正把目光投向宇宙的更深處。目前人類對宇宙的最遠觀測距離是137多億光年，正是由“哈勃”望遠鏡創造的。“韋伯”成功部署后，必將一再打破這個紀錄，而新的紀錄所意味的不僅是空間的概念，更是時間的啟發，人類將對早期宇宙到底是什么樣子的有更多了解，所有熱愛科學的人都將為之激動不已。

（截至2021年1月5日，“韋伯”望遠鏡五張隔熱罩已成功張緊，次鏡成功部署。）