有个还在建造中的太空望远镜,它每年的预算,占据美国航空航天局天体物理学当年资金的一半;原本2010年就要发射,却被一推再推,推到了2018年发射,预算也从20亿美元膨胀到了88亿美元,为此,人们给它取了一个绰号——“吃掉天文学的望远镜”,它是谁?詹姆斯·韦伯太空望远镜是也!88亿!?请问这是要发射到月球吗?它不去月球,它要去第二拉格朗日点。
为避开大气层的干扰,哈勃望远镜跑到距地面570千米的太空运行。而韦伯望远镜的牛掰之处,就是它不屑于只与大气层躲猫猫,它将走得更远。月球距地球虽有38万千米,但它依然还是地球的卫星。而韦伯望远镜,它将在距地球150万千米的地方上班,它成了太阳的卫星而非地球的。舍近求远的目的是因为这个地方有点儿特殊,叫第二拉格朗日点。
在这个地方,望远镜、地球和太阳基本上三点成一线,相对位置始终保持不变,且望远镜可以一直保持背向太阳和地球的方位,易于保护和校准。更重要的是,因其受到其它星体的引力干扰最小,不必来回调整方位,这意味着可以节省大量的燃料。虽然我们不能回到过去,但绝对能看到过去,而且不难!实际上,我们目之所及,都是过去的事儿。你此刻看到初升的红太阳,那其实是8分钟前的太阳。
这个事实告诉我们一个道理:看得越远,我们就越能看到更遥远的过去。如今,我们能看到宇宙的童年期,而现在,天文学家们更雄心勃勃,打算穷尽世间技术,以便让韦伯望远镜去看看宇宙的婴儿期,一窥早期宇宙以及第一批星系形成时期的秘密。要看到如此遥远的地方,或者说要看到如此遥远的过去,绝非易事。众所周知,作为电磁波一种的可见光,若被压缩,颜色就会变紫;若被拉伸,就会变红,再拉伸,就会变成不可见的红外。
因为大爆炸,各星系都在互相高速远离,这种远离会把可见光拉伸,于是,早期宇宙残留的光传到现在,已被拉伸了很多很多,为此,韦伯望远镜将要配备世界上灵敏度最高的红外线传感器、光谱器等。哈勃的工龄实在是太长了,历经5次大修,且它的某些部件老旧得像古董,因此,NASA迫切需要新一代的天文望远镜,这便是韦伯望远镜。虽然韦伯望远镜还没发射,但2018年发射后,它所展现出来的水平和能力将超出哈勃100倍。
哈勃望远镜虽然在外太空,但是距离地球还是太近了,容易受到地球各种因素的干扰,而韦伯望远镜距离地球150万千米,这还不算,它还要在深空撑起一把大伞!挡雨吗?当然不是。红外夜视仪,是根据夜间物体发出热量的不同,从而进行探视的。而韦伯望远镜主打红外探测,要想看到遥远过去的宇宙图像,必须严格避免周围热源的干扰。
红外线望远镜对热极为敏感,所以韦伯望远镜必须搭建一个遮阳伞,以遮蔽来自太阳、地球,甚至月球的热量。根据设计,这把遮阳伞将有一个网球场那么大,且有五层。如此做的目的是必须让望远镜及其所搭载的仪器冷却到-233℃的工作温度。在如此低的温度下,要让所有仪器工作正常绝非易事,但这远非此工程中最难的事。韦伯望远镜确实比哈勃强,但至于这么贵吗?它还有哪些制造难点?很多,可谓是针尖上做道场。
反射式望远镜,理应是反射的光越多,性能就越强大。哈勃望远镜的镜片直径2.4米,而韦伯望远镜的镜片原计划是8米,后因经费问题,减到6.5米。就算这样,哈勃在它面前依然还是相形见绌。要把直径6.5米的镜片塞入火箭并运到深空,是一件无法完成的事。所以,设计人员把大镜片分成18块子镜片,折叠起来,塞入火箭,到达目的地后再像变形金刚一样展开。
18个子镜面组成一个统一的主镜面,这需要它们的排列精度误差小于人类头发丝直径的万分之一,说它是在针尖上做道场,真是一点儿也不为过。韦伯望远镜若全被伸展开,将有一架波音737客机那样大,万一什么地方卡壳而展不开或者展开的误差太大呢?天哪,那将是一场灾难。想象一下,那可是150万千米的深空,你很难载人去帮它一把。所以,这是一次只许成功,不许失败的大工程,也可以说是大赌博,赌资高达88亿美元。
计划初期,天文学家曾打算用超低膨胀玻璃。但当把试验镜片冷却到零下233℃时,玻璃发生的弯曲足以使望远镜完全失效。最后,镜片的材料选择了铍。然而,“要制作没有残余应力的铍金属镜片是极为困难的,”光学工程师Bob Brown说,“切割金属的表面会使剩余的金属部分有向上弯曲的趋势。”另外,抛光六边形的镜片也非易事,直到距离边缘5毫米处都是要抛光的,如此高难度的抛光也是第一次。
若未经抛光边缘的宽度增加一倍(10毫米),那将使望远镜的反射光量减少1.5%,对于如此浩大的这个工程来说,绝对是一个重大的损失。抛光后还需经过重重检测,为了检测镜片的表面平滑度,实验室是完全封闭的,连温度和空气流动都在严格的控制之下。技术人员使用衍射图、红外线激光器以及其他工具测量镜片表面几十万个点的高度。纯铍在近红外波段的反射性并不是最理想的,因此每块分镜面都必须镀上大约3.4克的黄金。
从2010年6月开始,NASA的工程师们开始为每一块子镜片进行涂层处理工作,镜片表面的黄金涂层厚度是120纳米。科学家将黄金涂料加热到1371摄氏度,使黄金涂料由固态变成液态,并蒸发到铍制镜片上,完成涂层。直到2011年9月,NASA才完成这18块子镜片的黄金涂层工作。同年12月,完成了所有镜片的冷冻试验。
哈勃升空后,曾被发现存在一处光学缺陷,为了这个缺陷,宇航员在哈勃发射3年后乘坐航天飞机去为它安装了一个光学校正镜,这才挽救了它。而韦伯望远镜,不可能有如此奢华的补救机会,因为,它实在是太远了。望远镜发射升空后,某种热梯度的影响会使望远镜发生轻微变形;还有,在观测过程中,需将镜面对准不同的方向,这时候也会产生极微小的温度变化,而这个变化也会带来镜面轻微的变形。
为确保韦伯望远镜升空后能精确聚焦,科学家们设法在每个子镜片后面都安装了7个微型电机,每个电机可以通过推、拉使子镜面的位置产生略超过10纳米的改变。如此,只要从地球发送微波信号到150万千米的地方激活子镜面背后的7个微型电机,就可以单独调整每一块子镜面相对于其他子镜面的曲率和方位,以补偿这些变形。