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举个栗子:哈勃望远镜的接班人是?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-17) 305次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:哈勃望远镜的接班人是?

天文学家们是一帮最闲不住的人!1989 年大名鼎鼎的哈勃望远镜仅有 1 年就要走马上任之际,他们竟然就开始坐在一起,筹划哈勃望远镜的接班人啦。哦,可怜的哈勃

二十多年过去了,退休年龄一再被延长的哈勃望远镜又郁闷了,其多次提出要一头扎向美丽的太平洋,结束常年不分昼夜“咔咔咔”给宇宙不停按快门的职业生涯,无奈,全被驳回。而这还是因为他的接班人——詹姆斯·韦伯望远镜。

【他比前任强一百倍】

韦伯望远镜目前最亮的头衔就是“哈勃望远镜的接班人”,可以想象,要是连这个头衔都没了,谁知道它是哪根葱?然,一旦踏上舞台,韦伯望远镜就会像躲避瘟神一样躲避这个早期的头衔。因为,他的能力和水平将超出哈勃 100 倍。就像上任后的狮子不会说:嗯,我是喵星人的接班人。

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,如仍在使用英特尔 486 处理器。因此美国宇航局 NASA 迫切需要新一代的天文望远镜,这便是韦伯望远镜。

诺贝尔物理奖获得者约翰·马瑟,是韦伯望远镜项目的资深科学家,他已为其付出了近 20 年的心血。用他的话说:“‘哈勃’是将未知事物展现于人类面前,挑起了我们的求知欲;而关于这些事物的答案,我们要靠韦伯望远镜去探索。”

哇哦,这有点类似于是说,你拍了很多 UFO 照片,我却能告诉你这些不明物体到底是什么!

【去拍拍宇宙的婴儿照】

我们虽不能回到过去,但绝对能看到过去。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,那其实是八分钟前的太阳。你看到正眨巴着眼的北极星,那也不是此刻的北极星,是它 400 年前的样子。

我们看得越远,就越能看到更遥远的过去。若说哈勃能看到宇宙的童年期,那么现在,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。理论物理学家爱维·勒布说:”我们曾经丢失了这本相册中的几页,而这些是了解第一缕光、第一批星系如何形成的最令人激动的几页。”

理论认为,在大爆炸的光辉褪去之后,宇宙进入了一个长期的”黑暗时代”。最终,低温物质聚集坍缩形成了第一代恒星,出现了第一缕光。

“这是一个新的机遇。”诺贝尔奖获得者 John.C.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。”

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。

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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。

【与地球并驾齐驱】

为避开大气层的干扰,哈勃望远镜跑到 570 千米的太空运行。而韦伯望远镜,它才不屑于只与大气层躲猫猫呢,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特殊,叫第二拉格朗日点,那是个神奇的地方,很多精彩的科幻小说常把其当场景。

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很容易就能发现,八大行星中,离太阳越远的行星,绕太阳转一圈需要的时间就越长,如海王星绕太阳一周需要 164.8 年。那么有没有这样的特殊情况:一个在地球周边的小物体,因其绕日轨道比地球稍长,故其绕日周期比地球也稍长,但因为在地球附近,所以地球对其始终有一个引力,这个引力不大不小,恰好拉了它一把,以致其能跟随地球同步绕太阳公转?有的,这便是第二拉格朗日点。

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,不必来回地调整方位,这意味着可以节省大量的燃料。即,少量的燃料就可以让望远镜在第二拉格朗日点长期驻留。

【针尖上做道场】

在深空撑一把大遮阳伞

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。正如你很难在大白天看到萤火虫和星星一样。

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它们零下 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。

传奇般的镜片

反射式望远镜,当然是反射的光越多,性能越强大。哈勃望远镜的镜片直径 2.4 米,这是那个时代的技术极限。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拙。

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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直径的万分之一,说它是在针尖上做道场一点也不为过。韦伯望远镜若全被伸展开,将有一架波音 737 客机那样大小,万一什么地方卡壳而展不开或者展开的误差太大呢?那,这将是一场灾难。想象一下,那可是 150 万千米的深空,你很难载人去帮它一把。嫦娥二号卫星从月球出发到第二拉格朗日点,途中还飞行了 77 天。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 80 亿美元。

镜片的磨制

计划的早期,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。一块子镜片可能要在抛光设备和测量实验室间往返几十次后,才能使它的形状和平滑度达到 NASA 的要求。

给镜片镀一层金

纯铍在近红外波段的反射性并非最理想的,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,而 120 纳米比一个人的头发还要细 200 倍。负责这项工作的伊恩史蒂文森说:在对韦伯望远镜黄金涂层处理时,我们面临着许多技术挑战,这些涂料并不是简单制作而成,而是量子涂料,有着非常复杂的制作工序。

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。

远程控制镜面

哈勃升空后曾经存在一处光学缺陷,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侈的补救机会。

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装有 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。

【那么,何时发射】

“别提了,说出来全是眼泪!”韦伯望远镜说,“本来哈勃老哥 2010 年退休。可谁知,他大修一次后,我就被推迟到 2013 年上任。实际上哈勃他总共大修五次啦!”

“更伤心的是,因财政预算紧张、项目超支等问题,2011 年 7 月,美国众议院投票决定:在 2012 年的预算案中,终止为我拨款。你说我伤不伤心?”

“还好。”韦伯忍不住又说,”天文学家们积极行动起来,纷纷呼吁国会恢复对我的支持。作为妥协,2011 年 9 月,NASA 制定了一个 2018 年发射的新计划,这才换来了国会对我的重新支持。唉,好个伤心的 2018!不说了,我的眼睛又湿润了。”

对此,美国宇航局 NASA 有话说:“嗨,韦伯老弟,哈勃虽然被大修了五次,但你知道吗?它离地球只有 570 千米,乘坐航天飞机去维修它虽代价高昂但也是一件可行的事。而你……要是坏了!”NASA 的眼睛也湿润了,“真的,我们除了抱在一起痛哭一场外,真的没有其它补救措施。所以,请理解,我们为了你绝对的高可靠性,而在时间上做出的牺牲。”

哈,对以上问题,天文学家们才不管呢,因为他们是一群不知疲倦的人——在韦伯望远镜还没升空的今天,据说他们又开始计划韦伯的接班人了,佩服。

经此一次,NASA 应该懂得这个道理了吧:你要不给天文学家们找点事做,他们就会给你找事做!


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