展翅、撐傘、降溫:韋布望遠鏡的部署有多複雜?

2022年01月15日09:00

  來源:Nature Portfolio  

  韋布望遠鏡的主副鏡和遮陽罩已經成功打開,但距離它開始科學探測還有幾步要走。

  在數日緊鑼密鼓地將各個部件展開就位後,有史以來最大也最複雜的空間望遠鏡現已組裝到位。

  美國航空航天局(NASA)的詹姆斯·韋布空間望遠鏡(James Webb Space Telescope)有18個六邊形鏡面,這18個鏡面共同拚接成一個6.5米寬的鍍金“宇宙眼”。1月8日,最後3面鏡片旋轉就位,為兩週來幾乎無懈可擊的工程操作劃上了完美的句號。去年聖誕節發射的韋布望遠鏡是迄今為止部署過程最為複雜的天文儀器。

  NASA天體物理學部主任Paul Hertz說:“韋布的展開堪稱完美。”

詹姆斯·韋布空間望遠鏡發射後成功展開了主副鏡和遮陽罩,此為藝術再現圖。來源:Adriana Manrique Gutierrez/NASA GSFC/CIL
詹姆斯·韋布空間望遠鏡發射後成功展開了主副鏡和遮陽罩,此為藝術再現圖。來源:Adriana Manrique Gutierrez/NASA GSFC/CIL

  “我開心極了,”歐洲空間局的韋布項目科學家Antonella Nota說,“看著這個超級望遠鏡準備探索宇宙的我們都是歷史的見證者。”

  雖然耗資100億美元的韋布望遠鏡仍面臨著許多艱巨的任務,比如對準拚接鏡和校準4台科研儀器,但難度最大的工程操作已經完成,包括展開一個網球場大小的風箏形遮陽罩以減少來自太陽的熱量;以及主副鏡的就位,以捕獲來自恒星、星系和其他天體的光線——這幾步是韋布正常運作的關鍵。

  光子已經能在韋布的鏡面上反彈,令其成為一台真正意義上的空間望遠鏡。“簡直不可思議,”NASA的韋布項目經理Bill Ochs在1月5日巴爾的摩空間望遠鏡科學研究所任務控制團隊組織的一次直播中說:“我們真的有了一台望遠鏡。”

  穩紮穩打

  韋布望遠鏡從位於法屬圭亞那庫魯的歐洲太空中心發射,如今離開地球超過100萬千米。它將於1月23日抵達目的地,前往一個被稱為L2(第二拉格朗日點)的引力穩定點,在那裡研究深空天象,比如宇宙中最遙遠的星系、籠罩在塵埃中的新生恒星、系外行星的大氣等。

  與前任哈勃望遠鏡不同,韋布望遠鏡能探測光的紅外波長,一窺人類尚未探索的領域,但這需要韋布在極端低溫下工作,只有這樣才能捕捉來自遙遠宇宙的微弱熱信號。韋布能保持低溫全靠它的遮陽罩。

上面的高速動圖展示了地球上的工程師測試遮陽罩的打開情況。來源:NASA
上面的高速動圖展示了地球上的工程師測試遮陽罩的打開情況。來源:NASA

  這也是為什麼許多科學家都對遮陽罩的攤開和伸張捏一把汗。發射之後,韋布需要展開兩個裝有遮陽罩的長方形托盤,收起上面的保護罩,再將它拉成風箏的形狀,最後將五層很薄的遮陽罩一張張繃緊。這一過程在地球上的實驗室里綵排過好多次,但從未在宇宙的零重力環境中嚐試過,所以可能會出現意外。

  Hertz說:“我覺得要伸展某種很大很鬆的東西讓我很緊張。”他說,其他空間望遠鏡都沒有這種遮陽罩,所以這是“全新且未知”的情況。

  每一步都有可能出錯,但都沒有出錯。韋佈於1月4日將最後一張遮陽層拉至正確張力。加州諾思羅普·格魯曼公司負責韋布遮陽罩的設計和製造,該公司工程師Hillary Stock說:“大家高興極了,徹底鬆了口氣。”Hertz說,這步完成後他再也不用緊張了。

  也有些科學家一直緊張到了第二天韋布展開副鏡。這個過程需要在望遠鏡主鏡前展開一個巨大的鉸鏈式三腳架,把74釐米寬的副鏡鎖定到位。光會從凹面的主鏡反射到凸面的副鏡上,經過副鏡聚焦後再通過主鏡的小孔送回科學儀器中用於分析。一旦副鏡展開完畢,韋布就是一台可以“正式上崗”的望遠鏡了。

  涼涼

  最後的重頭戲完成於美國東部時間1月8日早上10點29分,當時主鏡的最後一面鏡子旋轉就位。由於韋布的主鏡面非常大,必須和遮陽罩一樣摺疊起來,才能搭載阿麗亞娜5型(Ariane 5)火箭升空。

  過去兩週部署成功的還包括一個朝外旋出的散熱器,這個散熱器能將望遠鏡科學設備產生的多餘熱量排向太空。

  接下來,韋布會調整和對準主鏡18個鏡面的位置,使它能夠聚焦收集到的光線。韋布望遠鏡還將進一步冷卻至其運行溫度——絕對零度以上40°C左右,即零下233°C。目前韋布遮光罩背面較冷的一側已經接近零下200°C。

  兩週後韋布將到達L2,在開始返回科學成果前,它還將進行5個月的調試準備工作。Nota說:“我已經迫不及待想看到第一組數據了。”

  NASA的這個“燒錢大戶”用了30年的時間才研發成功。歐洲空間局和加拿大航天局也是該項目的合作夥伴。

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