巨镜“韦伯”即将凌霄

□文/卞毓麟

“韦伯”空间望远镜

2021年以来，国际天文界和航天界一直在热议一件事：虽然屡屡推迟发射时间，但“韦伯”空间望远镜（英文缩略词JWST，下简称“韦伯”）今年真要一飞冲天了！届时，它将搭乘欧洲空间局（ESA）的阿丽亚娜5型火箭，从南美洲法属圭亚那的一个航天基地发射入轨。

“哈勃”的继承者

“韦伯”的研制工作始于20世纪90年代，起初称为“下一代空间望远镜”，2002年又以詹姆斯·韦伯冠名。韦伯是美国国家航空航天局（NASA）的第二任局长，在1961—1968年的任期内，卓有成效地领导推进了“阿波罗”计划和其他一些重大空间探测项目的实施。

“韦伯”是NASA、ESA和加拿大空间局（CSA）的合作项目，素有“哈勃”空间望远镜（下简称“哈勃”）继承者之称。“哈勃”的主镜口径是2.4米，“韦伯”则是6.5米，故其灵敏度约为“哈勃”的7倍。“哈勃”以接收来自天体的可见光为主，“韦伯”则基本上是一架空间红外望远镜，观测波段从可见光红端（0.6微米）直至中红外（28.3微米）。“哈勃”的空间轨道高度约600千米，“韦伯”则将定居于日地系统的第二拉格朗日点L2——在日地连线上与太阳相反一侧、距离地球约150万千米处……青出于蓝，“韦伯”将完成“哈勃”力所不逮的许多任务，使人类认识宇宙的立足点更上一个新台阶。

日地系统L2点的位置示意图

研制过程一波三折

研制空间望远镜从来不会一帆风顺。1975年，科普巨匠阿西莫夫已在《洞察宇宙的眼睛——望远镜的历史》一书中向公众介绍：NASA打算研制一架大型空间望远镜。其实际进程则是：1981年美国为此组建空间望远镜科学研究所（STScI），1983年此镜以“哈勃”冠名，1985年“哈勃”近乎竣工。然而，1986年“挑战者号”航天飞机失事，发射“哈勃”的计划几近流产。幸好结局总算顺利，1990年4月24日，“发现号”航天飞机携带“哈勃”顺利升空。

“韦伯”的经历更奇特：1997年项目经费预算5亿美元，预期2007年发射上天；2002年经费预算增至25亿美元，预期发射时间推迟到2010年；2006年预算达到45亿美元，发射时间更推迟至2014年；2010年预算达65亿美元，预期2015—2016年发射；2013年预算增至88亿美元，预期2018年发射；2018年预算超出88亿美元，预期2020年发射。在经历各种意外事故、预算危机之后，“韦伯”终于箭在弦上，将要上天了。

无数的技术细节都必须严格检验——称为苛求也不为过。例如，2017年7月开始对“韦伯”的“光学望远镜和集成科学设备”（OTIS）模块进行一系列低温学真空测试，历时长达近百天。为了能探测到来自非常暗弱的遥远天体的红外辐射，整个“韦伯”必须维持在约40K（约-233℃）的极低温度，而且它的中红外设备（MIRI）还特别需要一个低温降温器，使其温度降至7K（-266℃）。这些检测在NASA约翰逊空间中心的真空室A中进行，该真空室的穹窿形密封大门直径就达12米，重达40吨！

完整的“韦伯”外观活像一朵骑在冲浪板上的巨大向日葵。这“向日葵”的花瓣就是望远镜的主镜，全长20.197米，宽14.162米，由18块正六边形的反射镜面拼接而成。镜面材料是硬而轻的金属铍，外表镀金。“冲浪板”是“韦伯”的遮阳板，由聚酰亚胺镀铝制成，上下共5层，每一层仅如人的头发丝那么薄。它可以保护望远镜免遭来自太阳、地球和月球（“韦伯”位于日地系统的L2点，故日、地、月三者永远处于它的同一侧）的光与热的影响，确保仪器在低温下工作正常。

想上天也不容易

“韦伯”的个头太大了，必须将“冲浪板”和“向日葵”都折叠起来，才能作为阿丽亚娜5型火箭的“乘客”前往太空。在到达目的地之后，再通过约180步的操作重新展开。整个操作流程在前几年中已演练再三，有一次遮阳板坏了，致使一再延期的计划再一次延误。2020年3月，新冠肺炎疫情又使望远镜的组装和检测被迫推迟。

各种科学设备组装在一起的“韦伯”，要在美国加利福尼亚州的诺斯洛普·格鲁门公司与飞船部分（即组装在一起的太阳帆和船舱）相整合，进行更广泛的最终测试。此事也已顺利完成。

不言而喻，“韦伯”的研制团队会充分吸取“哈勃”的种种经验教训。例如，人们记忆犹新，“哈勃”曾因一个低级错误而导致成像质量不佳，后来NASA于1993年12月2日用“奋进号”航天飞机将7名宇航员送入太空前往修复。他们给“哈勃”装上一个矫正透镜，其作用有如给人戴上近视眼镜，最终拍摄的天体照片质量极佳。这样的错误决不容许在“韦伯”身上重演，因为宇航员不可能亲临远离地球150万千米的日地系统L2点去维修。如何杜绝此类隐患，“韦伯”已有许多预案和举措。

“韦伯”空间望远镜的遮阳板

将会带来何等惊喜

在到达日地系统L2点之后，“韦伯”还要进行一系列调试才能正式开展工作。天文学家可真急不可待了，有太多的事情正等着“韦伯”去做呢。例如，当代天文学能够言之成理地推断，宇宙大爆炸之后过了几亿年，第一批恒星和星系开始诞生。但是，这一切究竟是如何发生的？揭秘其详情细节，就应该是“韦伯”一显身手的用武之地。

再如探索系外行星——太阳系外环绕其他恒星运行的行星，也是当下天文学的热门研究领域。今天，天文学家探测到的系外行星已经数以千计，它们将是“韦伯”倾情关注的对象，尤其是与我们地球相似度很高的那些星球，会不会有生命栖居？就此而言，特别值得期待的或许当推位于宝瓶座中、距离地球仅40光年的“特拉比斯特-1”（Trappist-1）行星系统了。“特拉比斯特-1”是一颗红矮星，已发现它有7颗行星，其中的3颗是大小如地球、且位于宜居带中的岩质行星。“韦伯”将探明它们的大气组成，以判断这些行星是否真正“宜居”。

人们尽可以大胆地想象，“韦伯”或许会瞥见什么样的新天体，或许会看到什么样的新现象。但是，更令人惊喜的必定是你全然意想不到的种种新发现，且让我们拭目以待吧！