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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    詹姆斯·韋伯 太空望遠鏡

                    2018-02-24 00:45:00

                      美國宇航局(簡稱NASA)當然知道“哈勃”的設計壽命只有25年,這還是在一切順利前提下的樂觀估計?!肮钡膶嶋H使用情況已經令NASA很滿意了。確定哈勃繼承者的計劃,早在“哈勃”還未上天時就已經醞釀了。

                      因為“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”耗資巨大,幾番超出原有預算,NASA不得不尋求與歐空局合作,所以才延誤了一些時間。

                      近日,“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”的最后一塊鏡面已經安裝就位,2018年將擇機發射升空。天文學家相信這架造價接近百億美元的“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”一定會揭開人類天文學的新篇章。

                      “韋伯”肩負的新使命

                      為了盡快看到宇宙大爆炸之初的情形,人類需要一個比“哈勃”更“火眼金睛”的探測使者深入太空。這個探測使者不僅能夠探測到宇宙初生時的景象,運氣好的話還能深入地探測到大爆炸后形成的第一顆恒星的爆炸。此外,它也能揭開和銀河系最近星系的起源之謎,還能觀測到孕育了恒星和附屬行星的星云……這些都是科學家急于揭示的天文學之謎。

                      是的,我們需要一架視野更深邃的太空望遠鏡。

                      為了達成這一目的,NASA和歐空局要求“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”的鏡面要足夠大,大到能捕獲來自第一代星系發出的微弱之光。此外,這個望遠鏡還必須能抵御極低的溫度。因為溫度一旦超過零下223攝氏度,望遠鏡本身的紅外熱輻射就會掩蓋掉微弱的光量子——這跟我們無法在燈火通明的地方看到螢火蟲的熒光是一樣的道理。項目組決定將這個探測使者安置在地球以外150萬千米軌道的第二拉格朗日點上。因為第二拉格朗日點是太陽和地球萬有引力疊加產生的穩定區域,而位于此點的航天器都處于地球所投射的陰影之下,在那里,更容易讓航天器保持低溫。而在這樣的低溫下,“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”才能探測到在宇宙中漫游了130億光年的光線和熱量的痕跡。

                      負責“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”項目的首席科學家丹尼爾·戈登最初將主鏡面設定為直徑8米,后因大大超出預算,不得不將主鏡面直徑縮小為6.5米,這已是能夠觀測到宇宙大爆炸的第一縷光線的最低要求了。

                      即便如此,它的主鏡面直徑也已經是“哈勃”的3倍了,面積則是“哈勃”的5倍以上。

                      在實施過程中,設計團隊遇到的第一個難題是超大塊頭的主鏡片,其次便是望遠鏡所依賴的主體技術,這也是此前未曾嘗試過的。這個主體技術面臨著從高靈敏光探測儀到制冷系統等的各種挑戰,其中的制冷系統要使這架太空望遠鏡一直保持在零下223攝氏度的極端低溫以下。

                      “韋伯”一旦發射,就將毫無退路,要么旗開得勝,要么前功盡棄——因為地球與第二拉格朗日點的距離是月地距離的4倍,我們根本沒有對它進行維修的可能性。

                      雖已精益求精,但仍需好運眷顧

                      “詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”的質量為6.2噸,約為“哈勃”的一半,但它體積龐大,必須把它折疊起來,才能裝入一枚“阿里亞娜5型”運載火箭的狹窄貨運倉內。這就對它的重量和尺寸都提出了嚴格的要求。于是,主鏡面被分割成18塊,每塊鏡片背部都裝有7個馬達,能夠在10納米的精度內調整鏡片的形狀和朝向。

                      “韋伯”發射后,這些鏡片會在高精度的微型馬達和波面傳感器的控制下展開。僅此一項就讓光學技術專家們承受了前所未有的壓力。

                      再看看這被分割成18塊的六角形鏡片,每個鏡面的拋光誤差不得超過10納米,同時鏡面也經過專門琢磨,使其能夠在遮陽板陰影的極度嚴寒環境中保持正確形狀。在該計劃的早期,天文學家曾設想可以使用超低膨脹玻璃,因為在溫度改變時它的變形很小,但就是這很小的變形也足以使望遠鏡完全失效,只得放棄。

                      天文學家最終選擇了鈹作為鏡面材料。選擇鈹作為鏡面材料,就意味著要花費更多的設計時間,因為鈹需要更多的時間去拋光。NASA的工程師們從6年前就開始為鏡片進行涂層處理,要涂上厚度僅為120納米、總重為3.4克的黃金,而120納米只是一個人頭發的1/200。涂層工作一直到2016年年底才全部完成。

                      在制造過程中,曾有一個測試無法進行,令制造團隊備感不安,那就是展開巨型遮陽板的過程是無法進行測試的。巨型遮陽板19米長、11米寬,NASA沒有大到足夠進行測試的低溫真空艙。最后,NASA不得不采用了相對冒險的方法:只測試望遠鏡的關鍵部件。至于升空后的最終結果如何,只能自求多福了。盡管如此,丹尼爾·戈登仍顯得信心十足。他最大的愿望是“詹姆斯·韋伯太空望遠鏡”這個具有紅外線視覺的強大“時間機器”,不僅能夠窺探135億年前的宇宙狀況,發現宇宙最早期黑暗之中誕生的第一批恒星和星系,還會對人類搜尋外星生命做出具有里程碑意義的貢獻。

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