窥视137亿年前的过去？NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜有望实现

编者按：詹姆斯·韦伯太空望远镜项目准备多年，耗资庞大。本文作者Susan Karlin讲述了该项目现阶段进展及核心设计理念。原文发表在FASTCOMPANY上，标题是：NASA’s amazing space telescope will peer 13.7 billion years into the past

在经历了近25年的等待和几度推迟之后，耗资96亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜正准备于2021年发射升空。

这是一幅科幻小说中的景象: 一座由六角形金镜组成的高塔矗立在巨大的五层银色遮阳板和一辆环形宇宙飞船巴士之上。 这些镜子被抛光到纳米级的精度，前面是四台复杂的仪器，它们的灵敏度足以破译外星大气层成分，并且能够回溯到时间最初的黎明。

自去年8月最后一批完成的组件从美国国家航空航天局在全国各地的基地运来后，这个14000磅重的机器人--詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在加州雷东多海滩诺斯罗普·格鲁曼太空公园的一个洞穴般的无尘房间里组装完毕。从观景台的高度看，它四层楼高的唯一标志是穿着白色连身衣的微型工程师们，他们在它的基座上跑来跑去。上个月底，媒体们受邀参加了这次任务下一步的简报会，这是记者们第一次看到完整组装好的天文台。

“在过去的几年中，我们将工作分为两半。 直到去年夏天，两部分工作进行了长时间的‘约会’，最终才结合到一起。”诺斯罗普·格鲁曼公司JWST项目经理斯科特·威洛比笑着说。“我们将这两个部分放在一起创建了一个天文台。 我们正在庆祝这一成功。”

经过24年的拖延和无数次的推迟，这项耗资96亿美元的任务进入了最后一年的调整和测试，之后望远镜将被运送到法属圭亚那的圭亚那太空中心，并于2021年3月发射。这次太空之旅吸引了来自24个国家的数千名科学家和工程师，他们分别来自美国国家航空航天局、加拿大航天局和欧洲航天局。它在美国各地的几个设施内完成建造，重点活动是在马里兰州的诺斯罗普·格鲁曼公司和戈达德太空飞行中心。

在距离地球100万英里的轨道上，詹姆斯·韦伯太空望远镜将观测到大约137亿年前的过去，在宇宙大爆炸之后的一瞬间(距离地球坐标1亿年) ，宇宙从暗等离子体状态过渡到形成第一束光、恒星和星系。 它还将分析围绕其他恒星运行的小型岩石系外行星的大气成分，以确定它们是否适合生命生存。

威洛比说:“我们的首要任务是探究:我们来自哪里?只有我们独自存在吗?”“我们从未见过一颗恒星不是爆炸产生的。是什么让这些“块状物质”聚集在一起点燃了第一批恒星?每次你认为你知道某件事的时候，你都想证明它，想看看它是怎么发生的。”

一开始，最初的宇宙主要成分是氢和氦，后来几亿年的太阳聚变产生了今天发现的丰富的其他元素。恒星比太阳大300倍，在死于巨大的超新星之前只存在了几百万年。该望远镜的设计目的是捕捉来自这些爆炸的红外光的痕迹，当这些痕迹被分析时，将告诉科学家它们是由什么构成的，以及它们形成的环境。2006年，约翰·马瑟和乔治·斯穆特因测量大爆炸产生的宇宙热量而获得诺贝尔物理学奖，而望远镜的设计将可能开启此项研究的下一个篇章。

“光从哪里来？ 我们是如何从宇宙大爆炸中走出来的? ” 戈达德太空望远镜的高级项目科学家马瑟说。 “人们对于历史和家谱着迷。 他们想知道，‘我们要去哪儿 ‘ 所以，这是我们要找出的其中的一点。”

TRAPPIST-1系统内的7个岩石系外行星的艺术概念，位于距离地球40光年。 天文学家将用詹姆斯·韦伯空间望远镜望远镜观测这些世界。

从宏观的角度来看，50亿年后也是就是太阳死亡后，找到类地世界是确保人类生存的第一步。 更直接的是，望远镜的观测结果可能提供我们地球起源和栖息地变化的线索。

马瑟说：“更好地了解地球的一个方法是找到其他地方，找出它们是如何工作的。我们仍然能够找到我们地质历史的痕迹，但那只告诉你一个故事。所以如果你能说，‘金星在成为温室之前是什么样子的？’或者‘火星在干涸之前是什么样子的？’然后它会给你一些提示，你可能需要在地球上做什么来保护环境。这些其他地方是一个小型的实验室，便于理解。”

前所未有的挑战

当工程师们在1996年开始考虑詹姆斯·韦伯太空望远镜时，他们需要10种当时还不存在的技术。 其中包括一个直径为21.3英尺的镜子，它必须被分解成18个独立的部分，但作为一个整体来工作; 还有5个网球场大小的遮阳板，用来阻挡太阳辐射，将望远镜的温度降到 -388华氏度。 整个装置必须折叠起来，才能放进一个直径16英尺的阿丽亚娜火箭整流罩，并按照程序在100万英里外展开。 它还需要新一代的探测器，比以前的探测器更灵敏。

更科学的调查可以在更短的时间内完成。”

比尔·奥克斯，戈达德航天飞行中心

观察数十亿光年之外的物体需要一面足够大的镜子来收集非常微弱物体发出的光。 詹姆斯韦伯太空望远镜的镜子大小相当于7个哈勃空间望远镜，可以看到比现有地面望远镜和太空望远镜暗几百倍的物体。

“哈勃望远镜重25,000磅，有一副2.4米（7.87英尺）的光学镜。 对于一个六米半（21.3英尺）的光学器件，韦伯望远镜的重量为14,000磅。”威洛比说。 “因此，我们将光学元件的收集面积增加了七倍，重量增加了一半，适合火箭安装。”

这面镜子没有使用更重的玻璃，而是用铍制成，铍是一种稀有金属，比钢更结实，但比铝更轻。 然后涂上一层极薄的24K 金，反射98% 的红外线。 戈达德的 JWST 项目经理比尔•奥克斯表示: “这相当于一对结婚戒指所用的黄金。”。

主镜将红外光聚焦到次镜上，次镜将红外光发射回镜子后面的四台科学仪器，分析红外波长的范围，将信息数字化，然后将其发送回地球。 其中的一个仪器，近红外光谱仪，拥有数以千计的特别设计的可编程微型百叶窗，开口只有几根头发那么大。 百叶窗可以更好地减少入射光的体积，并完成同步观察。

“其他光谱仪器以前也在太空中飞行过，但都没有能力同时对多达100个物体进行高分辨率观测，” 奥克斯说。 “这意味着更多的科学研究可以在更短的时间内完成。”

保持低温

JWST仪器将测量近红外光谱至中红外光谱，其中波长为0.6到28微米，分别接近红色和微波。 红外线使我们能够看到更远的宇宙(因此，回溯到更早的时间) ，因为宇宙正在膨胀，产生红移效应。 远离我们的物体会释放出更长的电磁波长，出现在光谱的红色和红外部分。

为了确定系外行星大气的化学成分，机载摄谱仪将测量在行星穿过其轨道时，来自母恒星的不同元素对应的红外光波动。

由于红外摄像机对辐射（即光和热）更敏感，因此望远镜必须与太阳及其在地球和月球上的反射光相距足够远，并具有能阻挡太阳光线并保持望远镜活动的防护罩，保持足够冷的温度以避免来自望远镜的红外辐射的干扰。

“在寒冷的一面，光学元件的温度是 -388华氏度，因为那是他们收集红外光的地方，”威洛比说。 “在炎热的一侧，设备总线所在，阳光照射下温度达到185华氏度。 因此我们制造了近600华氏度的差异。有趣的是，如果是防晒霜的话，那就是100万SPF。”

低温冷却器将科学仪器进一步冷却至-448˚F。 奥克斯说：“那些探测器是如此灵敏，实际上我们必须使其温度比被动达到的温度还要低。”

配备“兔子服”

就像2020年的火星探测器一样，詹姆斯·韦伯太空望远镜的建造需要洁净的无尘室作为原始条件。 工程师穿着“兔子服”，即白色聚酯连身裤，短靴，头巾，手术口罩和乳胶手套。 镜子已被抛光至表面图形精度在20纳米以内，小于单个细菌的大小。 威洛比说。“你得担心每一粒灰尘，人们穿什么，甚至古龙水和香水。事实上，你能闻到它们意味着它们释放出原子和分子。我们不希望那些分子附着在遮阳板或镜子上。”

随着最后一次热测试的完成——对光学、屏蔽和总线进行温度极值测试——过去一年中最大的挑战是如何将光学和遮阳板结合起来。虽然只花了一天就完成了，但这是多年计划和实践的结果。

威洛比说:“我们的工程师只是制造设备来帮助部署。”“事实证明，他们的工作和建造进入太空的东西一样困难。”

重力可能是我们目前所面临的最棘手的问题。”

诺斯罗普·格鲁曼公司的斯科特·威洛比

部分挑战是复制失重状态或解释重力。一旦进入轨道，光学仪器和遮阳板将分开4英尺，以便让遮阳板展开。但是在地球上，要把8000磅的望远镜安装在防护罩顶上的6根柱子上。他们能够在70磅的失重状态下通过复杂的马达、天花板滑轮和墙上的平衡重物来模拟。

威洛比说:“重力可能是我们目前最棘手的问题。”“在太空中，它将以零重力漂浮，所以当我们将光学仪器降落在顶部时，它必须接触到6英尺的角落，并被定位到0.04英寸内。失之毫厘就有可能失败。”

团队用模型和激光追踪器练习了半年，然后才尝试真正的实验。“这可能是我们做过的最复杂的部署之一，”他补充道。“这是完美的。真的很完美。”

未来一年

在接下来的一年里，团队将在离开无尘室之前管理大约400个任务。 它们包括检查光学和防晒罩的部署，通过电气和环境检查运行天文台，以及模拟发射和航天飞行的声学和振动。 从那里开始，詹姆斯·韦伯太空望远镜将通过巴拿马运河进行为期两周的航行，到达发射场，发射场被装在一个环境控制的集装箱内。 一旦到达目的地，工程师们将花费72天时间执行另外800项任务，直到它最终发射升空。 (在赤道附近发射可以利用地球自转的动量将其弹射到太空，从而减少火箭燃料的消耗。)

同时，位于巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学的太空望远镜科学研究所（STSI）是JWST的运营中心，一直在排队研究天文学。由于天文台的头六个月已经安排好了，STSI将从预计的1500个科学提案中进行选择，以填补第一年的剩余时间。该研究所将每年发布新提案的申请，并为各自的科学团队归档收到的图像。

并非所有 JWST 的发现都在未来。 它的一些技术已经在地球上得到了应用。 例如，眼科显微镜的聚焦装置就是由设计望远镜镜片的工程师发明的。 “所以这其中有一种你从未见过的联系，”马瑟说。

一旦进入轨道

詹姆斯·韦伯太空望远镜将花费近三周的时间到达轨道——一个被称为第二个拉格朗日点或L2的位置，在那里，地球和太阳的引力使一个物体能够以与地球相同的速度旋转太阳。在发射过程中，地面控制人员将命令178个装置组合在一起，以便打开并开始探测器的程序部署。

“那些报道过火星着陆器的人说他们经历了‘7分半钟的恐怖’?奥克斯说，他指的是“好奇号（火星车）”那部引人入胜的预告片。“我开玩笑地说，我们这是‘两个半星期的高度焦虑’。

.一旦进入轨道，在接下来的6个月里，将会有大约500种不同的活动通过航天器、科学仪器和望远镜使其运转。然后，科学研究就可以开始了。

最终，通过精心的管理，詹姆斯·韦伯太空望远镜将携带足够的联氨燃料，使其能够运行长达14年。 戈达德太空望远镜的一个研究小组正在进行一项机器人加油任务，这项任务可以进一步延长天文台的寿命。

“这是一个非常令人兴奋的时期，因为所有的事情都汇集到一起，”奥克斯说。 “我们期待着启动这项科学研究。 所有这些人在这段时间里一直在一起工作。 我的员工在他们的孩子很小的时候就开始为我工作，现在他们的孩子已经大学毕业了。”

译者：jsmdy

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