[科普中國]-針尖做道場：韋伯深空撐大遮陽傘

話說，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算從10億美元，一路攀升到接近90億美元，很多人納悶，這到底是個什么奇葩望遠(yuǎn)鏡，為何這么花錢無數(shù)？

在深空撐一把大遮陽傘

紅外夜視儀，是根據(jù)夜間物體發(fā)出熱量的不同，從而進(jìn)行探視的。而韋伯望遠(yuǎn)鏡主打紅外探測，要想看到遙遠(yuǎn)過去的宇宙圖像，必須嚴(yán)格避免周圍熱源的干擾。正如你很難在大白天看到螢火蟲和星星一樣。

紅外線望遠(yuǎn)鏡對熱極為敏感，所以韋伯望遠(yuǎn)鏡必須搭建一個遮陽傘，以遮蔽來自太陽、地球，甚至月球的熱量。

根據(jù)設(shè)計，這把遮陽傘將有一個網(wǎng)球場那么大，且有五層。如此做的目的是必須讓望遠(yuǎn)鏡及其所搭載的儀器冷卻到它們零下233℃的工作溫度。在如此低的溫度下要讓所有儀器工作正常絕非易事，但這遠(yuǎn)非此工程中最難的事。

圖為首批完成鍍膜工藝的6片鏡面，圖片現(xiàn)場為，鏡片正在馬歇爾空間飛行中心準(zhǔn)備接受超低溫性能測試。

傳奇般的鏡片

反射式望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)然是反射的光越多，性能越強(qiáng)大。哈勃望遠(yuǎn)鏡的鏡片直徑2.4米，這是那個時代的技術(shù)極限。而韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡片原計劃是8米，后因經(jīng)費(fèi)問題，減到6.5米。就算這樣，哈勃在它面前依然還是相形見拙。

圖為哈勃（左）與韋伯主鏡片（右）的大小比較。

要把直徑6.5米的鏡片塞入火箭并運(yùn)到深空是一件無法完成的事。所以，設(shè)計人員把大鏡片分成18塊子鏡片，折疊起來，塞入火箭，到達(dá)目的地后再像變形金剛一樣展開。

18個子鏡面組成一個統(tǒng)一的主鏡面，這需要它們的排列精度誤差小于人類頭發(fā)直徑的萬分之一，說它是在針尖上做道場一點(diǎn)也不為過。韋伯望遠(yuǎn)鏡若全被伸展開，將有一架波音737客機(jī)那樣大小，萬一什么地方卡殼而展不開或者展開的誤差太大呢？那，這將是一場災(zāi)難。想象一下，那可是150萬千米的深空，你很難載人去幫它一把。嫦娥二號衛(wèi)星從月球出發(fā)到第二拉格朗日點(diǎn)，途中還飛行了77天。所以，這是一次只許成功，不許失敗的大工程，也可以說是大賭博，賭資接近90億美元。

鏡片的磨制

計劃的早期，天文學(xué)家曾打算用超低膨脹玻璃。但當(dāng)把試驗鏡片冷卻到零下233℃時，玻璃發(fā)生的彎曲足以使望遠(yuǎn)鏡完全失效。最后，鏡片的材料選擇了鈹。

然而，“要制作沒有殘余應(yīng)力的鈹金屬鏡片是極為困難的，”光學(xué)工程師Bob Brown說，“切割金屬的表面會使剩余的金屬部分有向上彎曲的趨勢。”

另外，拋光六邊形的鏡片也非易事，直到距離邊緣5毫米處都是要拋光的，如此高難度的拋光是第一次。若未經(jīng)拋光邊緣的寬度增加一倍（10毫米），那將使望遠(yuǎn)鏡的反射光量減少1.5%，對于如此浩大的這個工程來說，絕對是一個重大的損失。

圖為工程師們正在進(jìn)行仔細(xì)的鏡面檢查，就是一?；覊m也不放過。

拋光后還需經(jīng)過重重檢測，為了檢測鏡片的表面平滑度，實驗室是完全封閉的，連溫度和空氣流動都在嚴(yán)格的控制之下。技術(shù)人員使用衍射圖、紅外線激光器以及其他工具測量鏡片表面幾十萬個點(diǎn)的高度。一塊子鏡片可能要在拋光設(shè)備和測量實驗室間往返幾十次后，才能使它的形狀和平滑度達(dá)到NASA的要求。

給鏡片鍍一層金

純鈹在近紅外波段的反射性并非最理想的，因此每塊分鏡面都必須鍍上大約3.4克的黃金。

從2010年6月開始，NASA的工程師們開始為每一塊子鏡片進(jìn)行涂層處理工作，鏡片表面的黃金涂層厚度是120納米，而120納米比一個人的頭發(fā)還要細(xì)200倍。負(fù)責(zé)這項工作的伊恩史蒂文森說：在對韋伯望遠(yuǎn)鏡黃金涂層處理時，我們面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，這些涂料并不是簡單制作而成，而是量子涂料，有著非常復(fù)雜的制作工序。

科學(xué)家將黃金涂料加熱到1371攝氏度，使黃金涂料由固態(tài)變成液態(tài)，并蒸發(fā)到鈹制鏡片上，完成涂層。

直到2011年9月，NASA才完成這18塊子鏡片的黃金涂層工作。同年12月，完成了所有鏡片的冷凍試驗。

遠(yuǎn)程控制鏡面

哈勃升空后曾經(jīng)存在一處光學(xué)缺陷，為了這個缺陷，宇航員在哈勃發(fā)射3年后乘坐航天飛機(jī)去為它安裝了一個光學(xué)校正鏡，這才挽救了它。而韋伯望遠(yuǎn)鏡不可能有如此奢侈的補(bǔ)救機(jī)會。

望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空后，某種熱梯度的影響會使望遠(yuǎn)鏡發(fā)生輕微變形；還有，在觀測過程中，需將鏡面對準(zhǔn)不同的方向，這時候也會產(chǎn)生極微小的溫度變化，而這個變化也會帶來鏡面輕微的變形。

為確保韋伯望遠(yuǎn)鏡升空后能精確聚焦，科學(xué)家們設(shè)法在每個子鏡片后面都裝有7個微型電機(jī)，每個電機(jī)可以通過推、拉使子鏡面的位置產(chǎn)生略超過10納米的改變。如此，只要從地球發(fā)送微波信號到150萬千米的地方激活子鏡面背后的7個微型電機(jī)，就可以單獨(dú)調(diào)整每一塊子鏡面相對于其他子鏡面的曲率和方位，以補(bǔ)償這些變形。

祝愿，2018年詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡能成功升空，并順利運(yùn)行，從而給人類帶來更多的宇宙奧秘。