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[观测平台] 詹姆斯·韦伯空间望远镜解读:价值88亿美元的太空机器

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发表于 2014-10-7 22:28:25 | 显示全部楼层 |阅读模式


这项耗资88亿美元的太空计划由美国国家航空和航天局(NASA)和欧洲及加拿大航天局联合进行,取名为詹姆斯.韦伯(James Webb)太空望远镜或JWST。它被视为标志性的哈勃太空望远镜的继承者 哈勃太空望远镜从1990年以来一直在距地球570公里的轨道上运行,它为天文学家提供了关于宇宙中遥远星系及恒星的诞生和消亡过程的最为清晰的图像。像哈勃望远镜一样,韦伯望远镜承诺提供高质量的宇宙图像,但是具有更好的穿透力。天文学家希望通过它可以回看到宇宙初生时的景象。它也许能捕捉到“大爆炸”后形成的第一颗恒星的爆发并且揭开和我们的银河系相近的星系起源的秘密。它还能深入的观察孕育了恒星和附属行星的星云。

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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:28:55 | 显示全部楼层


一片铜灰色的正六角型镜片垂直立在一个低处的平台上。它由一片经过精密切割的铍金属板制成,大概有2英寸(5厘米)厚、4英尺(1.2米)宽,在这个位于旧金山湾附近的光学实验室里柔和的灯光下闪着微光。当我小心翼翼的从镜片前走过时,我的向导--首席工程师Jay Daniel—笑着对我说:“这是不是很像你们家梳妆台上的镜子。”然而,这个看起来像镜子的东西的背面却和家里的梳妆台没有任何相似之处。这块金属板的内部绝大部分是中空的,并由机械师钻孔,使它可以安装在由很窄的龙骨制成的结构复杂的支撑架上。它那完美的几何形状显得很漂亮,我强忍住想要摸摸它那刀锋般锐利的边缘的冲动。Daniel说加工完成并经过抛光的镜面只有2.5毫米厚、21公斤重,而开始加工前的坯料则重达250公斤。这一极轻的重量使运载火箭可以将18片这样的镜片送入外太空,在那里他们将组合成一个整体,从而构成有史以来最激进大胆的空间望远镜的核心部件。

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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:29:16 | 显示全部楼层


为了达到这些目标,韦伯望远镜将和它的前辈有本质上的不同。它轻盈的主镜面口径超过6.5米,其集光力是2.4米口径的哈勃望远镜的6倍。18个镀金的六边形的子镜面将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直径的万分之一。NASA将把这个蜂巢形的天眼发射到远远超过月球的深空轨道。在那里它将展开一个巨型的遮阳板,构造一个温度低于55k(摄氏零下218度)的极冷阴影区域,从而使韦伯望远镜能探测到已在宇宙中漫游了130亿年的光线和热量的痕迹。

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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:29:36 | 显示全部楼层


所有这一切都包含了前所未有的技术风险。由于韦伯望远镜的轨道非常遥远,因而假如它发生了故障,将没有宇航员能去修复它。哈勃望远镜在它二十年的服役期内曾进行了多次的升级和维修,而对于韦伯望远镜则完全不同。将不可能有返工、不可能有航天飞机去修正令人尴尬的光学缺陷、也没有小装置去解决令人烦恼的防护罩卡壳问题。而且,为了到达它那遥远孤独的运行轨道,韦伯望远镜首先要折叠起来以使自己可以装入一枚阿里亚娜5型火箭狭窄的货运仓,这对于它的重量和尺寸都提出了严格的要求。它必须以芭蕾般精准的动作展开自己,在经过一连串复杂的步骤后,最后,两块装有子镜面的侧面板将像折叠餐桌的侧板那样打开,从而完成整个过程。

Mark Clampin说:“我把它想象成是手工折纸做成的望远镜”,他是位于马里兰州GreenbeltNASA Goddard空间飞行中心的一名望远镜项目科学家。“我们必须展开它,将它排列好并且使它在合适的温度下工作。它的设计决定了无法对其进行维修,所以一切必须在发射时就一次成功。”


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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:29:56 | 显示全部楼层


重量、尺寸和温度的综合限制以及机械上激进、大胆的技术要求使NASA在韦伯望远镜上的花费远远超过天文学家预期。2001年一个国家委员会将太空望远镜项目列为最优先的任务,并为其申请了10亿美元的预算,但是那个估计太天真了。它并没有计入发射和运转望远镜的费用,并且它严重低估了韦伯的设计是多么复杂和费时。“工程上的挑战大大超出我们当初的预期。”NASA华盛顿总部的韦伯望远镜项目科学家EricP.Smith这样说。

这个项目的花费并非大大超过先前的太空望远镜项目,Smith补充说。例如,Chandra X射线望远镜(现正环绕地球运行)和Cassini飞行器(现正环绕土星运行),依2007年的价格计算,在整个运行期内各需花费约40亿美元。 “这本来就是一个大型的标志性任务所需要的正常花费。”来自加利福尼亚州Pasadena卡耐基天文台的AlanDressler这样说,他于1995年主持发表了第一个关于韦伯望远镜项目的评估报告,韦伯望远镜的“制造过程非常有效率,钱并没有被浪费。”他这样写道。


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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:30:30 | 显示全部楼层




有些持负面意见的天文学家认为太空望远镜项目占用了过多的NASA宇宙研究预算,这将导致其不得不终止其他一些研究任务。“韦伯望远镜占用了很多的资源,未来十年内我们都会感受到它所带来的压力。”来自加州理工的天体物理学家Shrinivas Kulkarni这样说。他特别强调,用于探测重力波、高能宇宙和类地行星的细节等的先进探测器项目将不得不等到2020年以后才可能进行。

即使是韦伯望远镜的支持者也对这笔巨大的投资能否如宣传的那样带来相应的回报而感到焦虑不安。“这是一个非常有挑战性的项目。”来自加利福尼亚大学的Garth Illingworth如是说,他是哈勃望远镜的长期使用者。“即使在NASA的任务中,这也是难度很高的一个。”最重要的是,如果一旦它不能顺利打开,它就彻底完了。

韦伯望远镜的大部分变形过程都发生在它到达太阳系中的家之前:一个被称为L2的重力平衡点,位于距地球超过100万公里的深空中。在那里,它将利用微弱的燃料脉冲使自己跟随地球的节奏运行在一个平缓而稳定的绕日轨道上。工程师们希望它的燃料足够维持十年的运行,直到无法再操控它为止(NASA的预算只包括5年的运转费用,额外的5年运转将需要追加5亿美元的预算)。


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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:30:51 | 显示全部楼层


当天文学家们在15年前开始这项计划的时候,他们就知道必须将韦伯望远镜发射到远的多的深空中去。哈勃望远镜受到恼人的地球反射光的烘烤,因而意味着它必须在接近室温的环境下工作。这使它无法探测到遥远天体所发射出的微弱的红外线,而这些红外线却承载了天文学家所急切想要了解的图景:现代星系最早的祖先在宇宙边缘的分布情况。这些光线原本是可以被肉眼及哈勃的照相机所观测到的。但是由于几十亿年来宇宙膨胀的影响,这些光的波长被拉长,使它们超出了可视光谱的范围而进入了红外区。

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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:31:10 | 显示全部楼层


“这是一个新的机遇,”诺贝尔奖获得者、NASA Goddard中心的韦伯望远镜项目首席科学家JohnC.Mather说道,“这是一块从未被翻动过的石块,谁也不知道它下面藏着什么。”没人知道大爆炸后所照亮的第一个物体是什么样,而这是我们早就应该弄清楚的。“

詹姆斯.韦伯太空望远镜以阿波罗登月时代的NASA局长来命名,它将使用红外线照相机和其他探测器来探测那些形成了今天我们所见到的宏伟星系的最早的星云碎片。这些萌芽期的物质大概存在于大爆炸发生后的4亿年左右,即宇宙当前寿命的大约3%。韦伯望远镜的照相机也许能探测到更早的恒星的闪光,这些庞然大物的质量是太阳的数百倍。这些恒星在它们短暂辉煌的生命结束后发生大爆炸,它们所发射出的光线至今仍漫游在宇宙中。

“我们正全力以赴建造一个挑战性远超过哈勃的望远镜,这将使我们能够回望到我们前所未见的景象,”Carnegie’s Dressler说道。“NASA强烈希望能够建造新时代的第一个望远镜,而不是旧时代的最后一个望远镜。”


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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:31:27 | 显示全部楼层


红外线同时打开了一扇观测更接近我们的天体的窗口,使我们可以穿过灰尘的遮挡,看清楚那些孕育了我们星系中恒星和行星的地方。现在天文学家主要依靠可见光来探测太阳系外行星,因而只能看到那些已经形成并离开了孕育它们的星云的星体。但红外线可以穿透尘埃,所以韦伯望远镜能够揭示星体形成过程中各个阶段的秘密,使我们能够弄清在宇宙中类似太阳系的系统是普遍存在的还是非常罕见的。某些行星将从它们星系的恒星前掠过,这使目光敏锐的韦伯望远镜有机会探测它们大气层内的气体成分。尽管机会渺茫,但它仍有可能发现一颗大气层内含有不稳定气体混合物的行星,例如含有氧气、二氧化碳和甲烷生命存在的最初痕迹。

其他太空望远镜曾经使用过由铍第二轻的金属制成的较小的镜片。而韦伯望远镜6.5米的口径从天文学的标准看来也并不是很大,现在已有多个陆上望远镜的口径在810米之间,并且更大的望远镜也正在设计之中。但是在遥远的深空中用18片子镜片组合成一个完整平滑的主镜面却使光学技术专家们承受了前所未有的压力。

这个挑战由Tinsley公司的工程师承担,这家位于Richmond的光学公司属于L-3通讯公司所有,就在加州伯克利的北面。在我的访问之前这是Tinsley公司第一次允许一个记者参观他们有关韦伯望远镜镜片的工作—Daniel告诉我不可以携带照相机而且有些提问是被禁止的。望远镜制造行业的竞争极为激烈,Tinsley公司为了达到NASA对于韦伯望远镜的技术要求已经花费了大量的时间和金钱。


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 楼主| 发表于 2014-10-7 22:31:46 | 显示全部楼层


当我到达时,他们向我简短说明了铍金属粉末的毒性。我必须签一份免责声明,免除Tinsley公司在有关肺部疾病的诉讼中的一切责任。不必担心,Daniel向我保证,实验室只使用湿法抛光镜片,所以不会有金属粉漂浮在空气中。我的肺可以松一口气了,但是有好几次我却不得不带上口罩以防我会不小心污染镜片。

在计划的早期,天文学家曾设想可以使用超低膨胀玻璃,在温度改变时它的变形很小。但当光学工程师将试验镜片投入望远镜将要经历的极为寒冷的环境时,玻璃发生的弯曲足以使望远镜完全失效。相反,铍则不易弯曲,可以在那种环境下正常工作。

然而这个改变却使镜片的生产进度被延长了一年,因为铍需要更多的时间去抛光。“要制作没有残余应力的铍金属镜片是极为困难的,”位于科罗拉多州博尔德市的 Ball太空研究所的光学工程师Bob Brown这样说,他负责监督Tinsley公司有关韦伯望远镜的工作。切割金属的表面会使剩余的金属部分有向上弯曲的趋势,Brown说道。他的团队必须通过酸腐蚀方式或者用锋利工具刮削的方式小心翼翼的去除带有残余应力的金属层。这是一个极为沉闷乏味和需要耐性的过程。


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