作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2016/3/7 10:21:03
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静待“天眼”开启时
天文学家热情期盼詹姆斯·韦伯太空望远镜升空

 

如果把这样强有力的工具放到太空,谁能预料到我们会发现什么?它带来的将是天文学界的革命,因为它是如此的强大。

詹姆斯·韦伯望远镜模拟图。图片来源:百度

在美国戈达德太空飞行中心塔式建筑29号内部连续工作数月之后,位于詹姆斯·韦伯太空望远镜(韦伯)核心部位的4个科学仪器已被密封进一个看起来像房子一样大的“高压锅”内。伴随着真空泵发出有节奏的唧唧声,“高压锅”内压力仿佛太空中一样,仅相当于1个大气压的百亿分之一,同时氦气使其温度降到摄氏零下250度。其内部的仪器被拴在未来将用于在太空中固定它们的框架上,并浸没在时而集中、时而分散的红外光中,以检测其反应。

将整个工程比作压力锅十分恰当。韦伯是至今为止美国宇航局(NASA)尝试建造的最大、最复杂、最昂贵的科学任务,天文学家和公众对其抱有的期望值非常高。韦伯的敏感度将是哈勃太空望远镜的100倍,它将能看得见宇宙“婴儿期”最早星系形成时的模样,可以研究恒星的出生以及它们的行星系统,可以分析系外行星的大气层,甚至探测到生命的迹象。“如果把这样强有力的工具放到太空,谁能预料到我们会发现什么?它带来的将是天文学界的革命,因为它是如此的强大。”华盛顿特区高校天文学研究协会主任、韦伯科学家Matt Mountain说。

一个大工程

上世纪90年代中期,在哈勃望远镜镜片调整后忙着革新天文学界时,研究人员已开始对其后继者进行规划。当时,NASA负责人Daniel Goldin提出吸引人的口号是“更快、更好、更廉价”。Goldin向NASA工程师和天文学界提出了一个极具挑战性的后续任务,即建造一个比哈勃便宜,但比其规模更大的直径8米的望远镜。当他在1996年向美国天文学会提出这一计划时,受到了科学家的热烈欢迎。然而,哈勃覆盖的仅是可见光的整体范围加上少量紫外线和红外线的区域,而当时提出的下一代太空望远镜则是专门的红外天文观测站。

对于天文学家来说,红外光谱当时是令人振奋的前沿研究,来自宇宙中最遥远天体的可见光(宇宙大爆炸之后形成的最早恒星及星系发出的光)随着宇宙的扩张拉伸得太多,最终在到达地球时仅仅停留在红外谱区。系外行星大气层的很多化学信号也表明它们位于红外波段。然而地球大气层阻止了大多数红外光。韦伯将给人们提供“首个中红外波段宇宙最清晰的视觉图像”,戈达德仪器载荷项目科学家Matt Greenhouse说。

然而,与哈勃一样,韦伯的建造也出现了反复设计、建造延期、预算超支等问题,使加拿大、欧洲的承包商和合作伙伴关系紧张,与美国国会中支持者的关系尤其如此。由于韦伯利用了可获得的资源,其他很多项目不得不被延缓或搁置。尽管近期工程进展和花费基本上都维持在既定日期和约80亿美元的预算之内,但2010年和2011年的一次危机几乎让项目被取消。

按预期,2018年年底,韦伯将可以从距离地球150万公里的位置返回信息,但在此之前仍有很多地方可能发生错误。它仍然面临着许多发射压力,如镜片和遮光罩如何从发射时的蝶蛹状态完好打开,而且其很多前沿技术也可能出现失败。只有当韦伯睁开“眼睛”,成功聚焦首颗恒星时,压力才会有所释放。

挑战无前例

要捕捉到那束光,NASA工程师就需要克服许多艰巨的挑战。首当其冲的就是热量:为了避免来自望远镜的红外光淹没天文学信号,韦伯需要在零下233°C运行,比绝对零度(约等于零下273.15°C)仅高出40°C,这需要全新的仪器设计方案。体积和重量限制则造成了另外的障碍:直径8米的望远镜无论如何也不能放入火箭整流罩中,因此需要折叠起来发射。

遮光罩也需要可折叠的,并用超轻膜材料制作。而且望远镜结构需要绝对坚硬,但同时又要足够轻,使整个观测台的重量限制在6吨以内,仅相当于一座同样规模的地面望远镜重量的百分之几。人们知道“可能需要发明10种新技术”,才能让望远镜工作,NASA韦伯项目主任Eric Smith说。

以镜面为例,哈勃望远镜仅由一面玻璃构成,而韦伯的折叠镜面将需要由六角形的工件组装而成,这一设计通常应用在许多顶尖的地面望远镜工程中,如夏威夷凯克望远镜天文台。选择镜面材料也是一项挑战,需要经得住严酷的考验。因为任何材料在变冷时都会改变形状,因此每个组件都需要做到在室温下光学形状是错误的、但在温度达到零下233摄氏度时却可以变为正确的光学形状,误差要控制在纳米级层面。为了实现这一目标,镜面制作人要把复杂的计算机模型和研磨、冷却、测量、加热、再研磨、再冷却的繁复过程相结合。

事实上,韦伯的最终设计并未达到NASA一开始的雄心。从2001年开始,由于对该望远镜不断增长的建造成本的担忧,NASA将原来设想的直径8米的镜片减小到直径6.5米,把镜面组件从原来的36块减少到18块,其光采集区域从设想的50平方米缩小到25平方米。尽管如此,评估小组认为,韦伯依然可以实现其科学目标。为了进一步压缩成本,NASA决定利用精确度较低的镜片,这样可以减少生产过程中大量冷却——加热——研磨的过程。这一改变将会让韦伯在近红外波段的敏感度降低1~2微米,不过这称不上什么大损失,因为地面望远镜已经覆盖了这一波段。

期待发射时

到2006年,韦伯所有的关键技术已经过测试,并验证可行。最终设计也起草完毕,开始进入工程组装阶段。为了把韦伯巨大的镜面放在通道中,得克萨斯州休斯顿约翰逊空间中心的工程师完全重新修改了A仓—— 一个用来测试阿波罗项目载人飞船的巨大低温真空仓。

该项目载荷仪器的飞行模式在2012年设计完成:由欧空局、NASA、亚利桑那大学以及加拿大空间局等建造的4个红外成像器和光谱仪。一旦这些仪器被固定在坚硬的框架上,将会模拟发射时的状态对其进行剧烈晃动,同时还会接受高达150分贝的噪音测验。接下来就是模拟太空环境的首次低温—真空测试。

然而,问题接踵而至。冷热温差导致构成红外探测器的精密多层半导体膨胀后分裂。另一项关键技术——近红外波段的“微快门”阵列也被击垮。仪器团队和生产商聚集在一起分析问题并生产出新的零部件。同时,相关测试仍在继续进行。在最近的CV3测试中,所有的替换构件被聚集在一起,今年1月底的最新测试结果十分鼓舞人心,改进的部分都起到了作用。“我们对此次测试的表现非常满意。”亚利桑那大学斯图尔德天文台天文学家Marcia Rieke说,“我们距离准备发射的日子非常接近。”

现在,仪器已经经过检测,镜片也已组装完毕,这两大元素将在3月进行组装匹配。随后,组合成的望远镜和仪器包裹(合称OTIS)在被安装到一个特别建造的船舱中之前,将会进行震荡和声学检测。然后在一个寂静的夜晚,一辆卡车将会小心翼翼地载着这个船舱从戈达德中心运往安德鲁斯联合基地,在那里它将会被放入一个巨大的C-5星系运输机中,然后被运往休斯顿。

现在,韦伯的体积已经大到难以容纳在一架飞机内,因此它将通过轮船进行发射前的最后运输——从加利福尼亚海岸经过巴拿马运河到达法属圭亚那,也就是欧洲航天发射中心,与欧洲建造的阿丽亚娜5号运载火箭相会。2018年10月,阿丽亚娜5号将会把韦伯送往L2点——距离地球150万公里的一个引力平衡点,其行程将花费29天。

韦伯到达设定空间位置后就会立即部署其相关组件。部署工作将会花费“恐怖的3周时间”,Mountain说,“此前从未有人做过这样的事情。”届时所面临的压力将是无情的,但是韦伯的建造者表示,他们一定会有时间思考他们正在做的事情。

荷兰欧空局韦伯项目科学家Pierre Ferruit说:“即便是对一个参与这项任务的人来说,它也令人难以置信。”Rieke对此也有同样的感觉:“见证这样的历史的确是一件让人兴奋的事情。”(冯丽妃)

《中国科学报》 (2016-03-07 第3版 国际)
 
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