看到韋布望遠鏡公布的第一批彩色照片，想起 2022 年普利策獎的釋義性報道獎，就頒給了 Quata 雜志的 Natalie Wolchover 寫的韋布望遠鏡。
那篇科學報道值得一讀——
“要想回望宇宙的誕生，看見第一群恒星的星光，你必須先磨出一面和房屋一般大的鏡子。它的表面必須光滑到如此的地步——如果鏡子被放大到一整個大陸那么大，它的上面不會有超出腳踝高度的山峰或低谷。只有這么大這么平的鏡子，才能收集并聚焦來自天空中最遙遠星系的微弱光線……
圖片來源：nasa.gov
“即使有了這么特殊的鏡子，依然遠遠不夠。
“沒有人曾見過星系形成之時的樣子，原因是幾十億年來，那些古老的星光穿越了不斷膨脹的宇宙空間后，已經(jīng)被大大拉長了。那些最遙遠的恒星發(fā)出的紫外線和可見光到達這里時，波長被延伸了大約 20 倍，成了紅外線。但紅外線同樣是原子振動時發(fā)出的光——我們稱之為‘熱’。同樣的紅外線從我們的身體、大氣和腳下的地面輻射出來。這些本地的熱源，徹底淹沒了遠古恒星弱小的光芒。因此，要觀測到那些遠古恒星，望遠鏡的大鏡子必須非常冷。它必須被發(fā)射到太空。
“問題又來了。沒有火箭能裝下一面有房子那么大的鏡子。于是，鏡子必須被折疊起來。
“為了被折疊，鏡子首先必須被分割成由多個鏡片組成的蜂窩陣列。
圖片來源：nasa.gov
“為了共同聚焦產(chǎn)生清晰的圖像，鏡片們在太空中展開后，必須排列到近乎完美的地步，這就需要精度極高的電機。這些電機能輕輕推動鏡片，移動的距離可以精確到僅僅是病毒寬度的一半，以保證所有鏡片安裝到位?！?/strong>
“Ball 航空航天公司提供的制動器能以 10 納米的精度推動鏡面，這個寬度僅為頭發(fā)的萬分之一。這些電機的工作原理是‘彎曲’，即‘將大的運動轉(zhuǎn)化為小的運動’?！?/p>
“整個韋布望遠鏡的重量，只有一個大型地面望遠鏡重量的 2% 左右。”
“鏡子由鈹制成，這種材料輕、結(jié)實、堅硬，呈粉末狀，有毒，是一種令人頭疼的東西，但也是唯一可行的東西。鈹粉在俄亥俄州被壓成塊，然后在阿拉巴馬州被切割。鏡片上再覆一層黃金，因為黃金能極好地反射紅外線。最后，加利福尼亞一家專門為這個項目而建造的工廠為鏡面拋光?！?/p>
被涂上黃金涂層的鏡片。圖片來源：nasa.gov
但這樣依然還不夠。
“即使被發(fā)射到到外太空，地球、月球和太陽仍然會向望遠鏡輻射出太多的熱量，使它無法感知宇宙中最遙遠結(jié)構(gòu)的微弱閃爍。
“除非，望遠鏡指向一個特定的點——第二拉格朗日點。在那個點，月球、地球和太陽都位于同一個方向，架設起一個網(wǎng)球場大小的巨幅遮陽罩，望遠鏡就可以同時擋住這三個天體。通過這樣的方式，望遠鏡終于可以進入極度深寒的狀態(tài)（-223℃），從而探測到宇宙黎明的微弱熱量。
五個拉格朗日點，為了保證觀測，望遠鏡需處在第二拉格朗日點（L2），背對日地系統(tǒng)。圖片來源：nasa.gov
遮陽罩既是紅外望遠鏡的唯一希望，也是它的致命弱點。
“展開時又要足夠大，重量又不能超出火箭的承重，遮陽罩只能由薄織物組成。工程師們心知，薄織物是“不確定的”，它的運動不可能被完全控制或預測。如果遮陽罩在展開時被鉤破，整個望遠鏡就會變成一坨太空垃圾?！?/p>
“遮陽罩的材料，研究小組選了 Kapton，這是一種光滑的銀色塑料，看起來很像薯片袋的內(nèi)層，厚度只有人類頭發(fā)的直徑。Kapton 的撕裂風險不低，因此需要很多層作為冗余ーー研究小組決定安裝五層。一個由吊臂、電纜和細繩所組成的系統(tǒng)，將把這五層遮陽罩都充分展開，分離并系緊?！?/p>
首席工程師邁克爾·門澤爾（Michael Menzel）形容這件事有多難，“如果是剛性的東西，比如一扇門，你安上一條鉸鏈，就可以預測它的運動方式。小菜一碟。但現(xiàn)在給你的是一條軟的毯子。在床上推一條毯子，然后試著預測它會變成什么形狀？太可怕了。同樣的事情也發(fā)生在繩子上——每一根拉緊遮陽罩的繩子，可以有一百萬種不同的運動方式。更糟的是，在零重力狀態(tài)下，這些東西可以跑到你不希望它去的地方?！?/p>
折疊成五層的遮陽罩。圖片來源：webbtelescope.org
“大約在 2004 年，兩位 NASA 工程師來到門澤爾的辦公室，說他們有辦法。其中一人拿起門澤爾桌上的一張紙，把它折成 Z 字形。遮陽罩可以折疊成許多這樣的 Z 字形，也就是‘手風琴式折疊’。門澤爾覺得這個辦法行得通 。
“下一個問題是，如何保持遮陽罩處于手風琴折疊狀態(tài)，直到做好準備時再展開。另一位工程師安迪找到了解決辦法：107 根固定針，可以像貓的爪子一樣縮回。
“固定針又帶來了另一個棘手的問題：針會造成針孔。如果在展開后，所有五層 Kapton 上的針孔恰好排成一條直線，就會讓陽光通過，加熱望遠鏡的光學器件。
門澤爾說：‘這是個之前根本想不到的小細節(jié)，直到你開始做了才發(fā)現(xiàn)，天啊，五個針孔有可能排成一列，這事聽起來不大，但把安迪搞到借酒澆愁。謝天謝地，他后來想通了?！驳锨谇趹y試了許久，終于找出了一種方案，使得五層大小各異的 Kapton 遮陽罩不論怎么展開，上面的針孔都不會排成直線。”
……
一個又一個小難題，不斷出現(xiàn)。結(jié)果是，韋布望遠鏡比原計劃遲了 14 年，預算超了 20 倍。
在發(fā)射之前，所有參與這項工作的人依然提心吊膽。
因為韋布望遠鏡是一錘子買賣。
當年哈勃望遠鏡在低地球軌道上，離我們也就 559 千米，望遠鏡“近視”了，宇航員直接拎一把扳手就飛上天去修了。
但是韋布望遠鏡離我們 150 萬千米。出了任何問題，科學家和工程師們只能抱頭痛哭，別無他法。
這個項目的首席科學家，諾獎得主、天體物理學家約翰·馬瑟（ John Mather）說，“我們已經(jīng)盡力去發(fā)現(xiàn)所有的錯誤，進行測試和演習，此刻，我們將把價值數(shù)十億美元的望遠鏡放在一堆爆炸物上?！?/p>
在成功發(fā)射之后，望遠鏡還要再用一個月，才能抵達第二拉格朗日點。在此途中，它還要花數(shù)百個步驟去把自己的鏡子一點點展開，遮陽罩一點點展開，直到巨大的鍍金鏡子“花朵”，盛放在一片更為巨大的遮陽罩“銀葉”上。
坎坷之路，終抵群星。
圖片來源：webbtelescope.org
此刻，韋布望遠鏡靜靜漂浮在黑暗寒冷的太空中，它背后是太陽、月亮、和所有人類生活的暗淡藍點。它未來帶回的信息，將推進甚至顛覆人類對宇宙的理解。
以上，就是那張彩色照片背后的一小部分故事。
韋布首張“宇宙深場”照片，迄今為止人類在紅外波段拍到的最清晰、最古老的宇宙景象。圖片來源：webbtelescope.org
來源：游識猷的自留地
本文已獲授權(quán)，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者
本文封面圖片及文內(nèi)圖片來自 NASA 及 webbtelescope 官網(wǎng)，圖片內(nèi)容不授權(quán)轉(zhuǎn)載
2022-07-14
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