造价100亿美元的韦布太空望远镜终于到达目标轨道,然后呢?

品玩·2022-01-26 10:35
人类倾尽所有,只是为了追寻自己的来处。

两代空间望远镜的纠葛

历经30天的太空漫游,詹姆斯·韦布空间望远镜在2022年1月25日凌晨3点终于到达终点:距离地球150万千米的日地拉格朗日L2点。但还要再经过5个月的部署和调测,它才能开始第一张照片的拍摄。

100亿美元的造价,30多年时间的投入,一次次的延期以及预算扩充……诸多传奇和噱头集于一身,让詹姆斯·韦布空间望远镜(以下简称“韦布”)尚在建造阶段,关注度就足以和它的前辈哈勃空间望远镜(以下简称“哈勃”)比肩。

韦布的目标之一是观测星系的形成。图源NASA

人们对韦布寄以厚望,希望通过它观测的数据研究星系的形成与演化,了解恒星及行星系统的形成,发现行星系统以及生命起源乃至解开宇宙诞生之谜……

如此接近“捧杀”的期待姿态,背后依据的大概是造价只有韦布1/8的哈勃所取得的惊人成就:被称之为“有史以来最重要的天文观测设备”,给天文学几乎所有领域都带来了突破性发现。

目前哈勃已运行31年,在这段被数次维修延长的服役生涯中,它对三十多个星系进行距离测量,最终确定了宇宙目前的哈勃常数(宇宙膨胀的速率是通过哈勃常数来确定的)大约为73,随机误差仅为6%,系统误差为8%,并参与了对宇宙加速膨胀推测的证实。

137.7亿年的演化中,宇宙一直在膨胀。最初是指数级的爆胀,随后的几十亿年里,随着宇宙中物质的引力拉动,膨胀速度逐渐减慢。图源NASA / WMAP团队

通过哈勃提供的精细图像,人们研究了数十个星系团的透镜成弧现象,在此基础上,最终证实暗物质的总量超过普通物质的6倍左右。

而在一项长达15年的观测项目中,哈勃又发现,银河系附近一些普通的星系的核心几乎都会发生运动速率突然增大的现象,这间接证实了黑洞的普遍性,推翻了黑洞属于某个特定星球所有的推断。

20世纪天文学最具标志性的图片:“创世之柱”(Pillars of Creation) ,由美国太空总署用哈勃太空望远镜拍摄于1995年,照片中的天体为 6500 光年以外的天鹰星云,即“M16星云”。图源NASA

哈勃提高了人们对韦布的期待值,也同样是哈勃,为韦布日后所谓“鸽王”的大名埋下了伏笔。

1990年4月24日,哈勃由发现号航天飞机发射进入轨道。然而几周后,哈勃传回来的第一张图像却让所有人都大跌眼镜:画面中的光并没有聚集在一个胶面上,而是散成了一个个模糊的光晕——哈勃“近视”了?!

原来,哈勃的主镜片在制作时发生失误,导致边缘部分比理想状态差了约1/5根头发丝的厚度。但就是这样一个微小的错误,导致了灾难般的后果。

消息传出之后,舆论哗然。各大公共平台纷纷谴责NASA,称NASA花费重金制造了一个“哈勃麻烦”(Hubble Trouble),发射了一个史上最大的太空垃圾。为了挽回失误,NASA决定派出人员抢修。

1993年12月,NASA启动奋进号航天飞机,运送了7位宇航员来到哈勃身边。5次艰难的太空行走之后,宇航员们为哈勃戴上了一个专属的矫正镜片,它能与哈勃的镜片产生相反的作用来矫正视力。

哈勃空间望远镜拍摄图像:左侧为维修前的模糊图像,右侧是矫正后的图像。图源维基百科

哈勃的失误直接让NASA推迟了韦布计划正式提议的时间:1989 年,空间望远镜研究所第一次讨论哈勃太空望远镜(HST)的继任者(即后来的韦布),一年后讨论口径问题,但直到哈勃带上矫正镜片的2年后(1995年),天文学家才正式在国会给韦布报了价——5.64亿美金,预计2007年发送。

这个报价显然不太诚恳。要知道,他们在1975年首次给哈勃报预算时,给出的数字就已经在4亿美元以上了,最后的真实造价更是达到了12亿美元。美媒在报道中直言:这是个旨在让国会参与进来的报价。

后来的发展证实了媒体们的猜测。

100亿美元,值吗?

从正式立项开始,韦布的投入就一涨再涨,比最初报出的预算飙升了十几倍,涨幅甚至破了NASA的记录,一度引起NASA其他被砍预算的部门不满,也让美国国会颇有微词。

2011年,美国众议院甚至在投票之后决定削减19亿经费,让NASA停掉这个项目,最终是在舆论压力下,才收回决定。

韦布的预算飙升主要有两个原因:

第一,NASA汲取了哈勃的教训,增加了调试的次数,确保万无一失。

毕竟,比起哈勃,韦布更是无法承受任何失误。哈勃距离地球559 千米,出了问题,还能花3年时间送个宇航员去修,而部署在150万千米高空的韦布,一旦出现故障,宇航员都去不了,只能成为太空垃圾。

频繁地调试,就需要一笔不小的开支。

第二,韦布的技术难度本身就比哈勃高太多。

和哈勃主要观测可见光不同,韦布主要在红外波段观察宇宙。这一方面让韦布可以通过波长较长的红外线绕过尘埃,“以更近距离看到万物起源”,另一方面也将韦布的技术难度提高了一个数量级。

韦布主要在红外波段观察宇宙,哈勃的观测波段则集中在光学和紫外,不过两者的观测波段也有一定的重合。图源NASA

在物理学中,凡是高于绝对零度(即-273.15℃)的物质都可以产生红外线。为了过滤掉太阳这个特大红外干扰源,以及来自月球和望远镜本身的干扰,韦布需要一个巨大的遮光罩把韦布藏在阴影里,让它能够在低温中暗中观察。

韦布被送往距地球150万KM的拉格朗日L2,也是出于过滤绝大部分红外干扰的原因。在L2,它可以和地球、太阳保持三点一线的结构。图源NASA

NASA为韦布制作的遮光罩呈菱形,完全展开之后,长径21m,短径14m,面积相当于一个网球场。这也是韦布身上最关键、最复杂的组件之一。

遮光罩上下一共5层,前2层掺杂了硅的聚酰亚胺,在重重隔热和制冷系统作用下,可以在迎光面温度高达85℃的时候,保证背阴面稳定在零下233℃以下,维持望远镜的正常工作。

韦布遮光罩,图源NASA

与此同时,为了观测到2微米的红外波段,韦布也被造得特别大,是有史以来送入太空最大的天文空间望远镜。主镜的直径被扩充到了6.5m,面积是哈勃主镜的6.25倍。这让韦布能够看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体,在80km外看到一个乒乓球更是不在话下。

这样的镜面要求也极高:轻便、低温下不变形、反射性强。最终镜面选择了铍这种金属,为了更好地反射红外光,又为它涂上了一层非常薄的金,这让它足以反射接收到的红外光的98%。

哈勃与韦布的主镜面大小对比。图源NASA

而除了观测本身对部件的高制作标准,将韦布送到太空的需求,也增加了诸多技术难题。这么大的遮光板和镜子不能直接放进火箭里,只能层层折叠后塞进火箭,到了太空中再展开。

其中,遮光罩极其纤薄,5层加起来只有150微米,不到指甲厚度的一半。折叠如此纤薄的网球场尺寸的遮光罩无例可循。

为了将望远镜保持在所需工作温度,韦布需要将遮光罩完美折叠,再在发射之后将它拉成风筝的形状,最后将五层很薄的遮阳罩一张张绷紧。期间需要大约7000个零件协同工作,仅用到的拉伸缆绳就有90种之多。

主镜则是由18面正六边形的小镜拼成的,为了使展开后的主镜精准对焦,每块小镜有一个单独的微调系统控制,系统精度需要达到5纳米。

18个镜面,每个都有单独的控制系统。图源NASA

展开部署过程中,任何活动都有可能发生导致整台望远镜报销的“单点故障”。这种“单点故障”,在韦布身上共有344处。展开部署也因此成了人们最为关注的流程,youtube上的相关记录视频播放量都高达百万。

1月9日,为期2周的展开工作结束时,NASA的工程师们明显松了口气,还专门开了个现场直播的新闻发布会分享这一喜讯。

发布会的播放量也在60万以上。

除此之外,随着韦布发射计划被一年年推迟,每当有新的技术和检测方法出现时,NASA也会对韦布进行相应优化,从镜面的直径到NGST 的结构布局均发生过不止一次改动,直到2012 年,主镜和支撑结构制造完成,此时口径才最终确定为 6.5 米。

2014 年开始制造遮光罩,燃料仓、陀螺仪、太阳能电池板等。一年后,韦布的 18 个主镜与次镜(副镜)、支撑杆被安装在了背板上。

2016 年,韦布的所有部件开始组装,2019 年所有科学设备集成完毕。

2021 年初,望远镜通过了测试,并准备在 2021 年末进行发射。

期间,韦布的预算也随之一步步加大,在观测到黑洞之前,提前成为NASN的“预算黑洞”,顺便坐实“鸽王”的称号:

韦布的鸽王之路 图源:《太空探索》杂志2022年1月刊

北京时间2021年12月25日20时15分,詹姆斯·韦布太空望远镜发射升空。这让以为它会再次延期的围观群众大失所望,戏称这次的准时才是真正意义上的“鸽”。

但发射成功,不过是迈出了万里长征第一步。在此之后,除了镜子和遮光板的展开部署,韦布还需要经过三次中途轨道修正:MCC-1a,MC-1b和 MCC-2,才能到达目标轨道。

第一次修正发生在发射后第12.5个小时,持续时间65分钟;

第二次修正发生在发射后第60个小时,持续时间9分27秒,这次修正让它越过了月球的轨道;

2022年1月25日,经过297秒的推进器工作之后,韦布完成了最后一次轨道修正。

现在,韦布已经到达距离地球约150万公里的日地拉格朗日L2点轨道,围绕L2点旋转,和太阳、地球一起,保持在一条近乎直线的直线上。

韦布L2运行的轨道半径,比月球环绕地球运行的轨道半径还要大。图源NASA

接下来的5个月内,韦布将进行光学器件校正和科学仪器校准,在第6个月的月末开始真正的科学观察,凭借其红外波段的超强探测能力,深入存在于可见光之外的世界,寻找135亿多年前,宇宙形成的第一个星系所发出的第一束光。

韦布成功升空的第4天,NASA曾发布一则分析,称归功于韦布发射到太空时所在的Ariane 5火箭的精确性,以及第一次和第二次中途修正机动的精确性,韦布运行任务的时间可能会大大持续,达到该任务的最短预估时间一倍以上。这个时间是多长呢?10年。

根据NASA的说法,因为L2是伪稳定的,所以每隔20天,飞行运营团队就要根据飞行动力学团队提供的轨迹计算重新计算一次,然后发射推进器,将韦布拉回既定轨道。一旦燃料用尽,韦布将很快失去控制,无法继续探测任务。

当然,燃料用尽和部件老化,哪个先到来,还待定。

如果韦布运气好,运行时间可能会超出10年,但也绝不会创造哈勃那样的奇迹:预期运行15年,但因为有了航天员的维护,直到31年后的现在,还在为人类持续探测宇宙。

10年?用掉100亿美元,花费30年时间换来的10年?听起来,简直有点傻。可是仅在未来5年内,又将有4架空间望远镜被送入太空,在它们背后,也是数亿元以及数年的投入:

图源观察者网 陈蓝专栏

而人类第一次的太空探索甚至可以追溯到1942年——二战期间的德国发射了世界上第一枚弹道导弹V-2火箭,在工程上实现了航天理论先驱者们的技术设想。

80年过去了,为了和宇宙近一些更近一些,人类制造了第一艘载人飞船、第一座空间站,发射了第一架航天飞机、第一个目标在太阳系之外的飞行探测器,实现了第一次太空行走、第一次太空对接,登上了月球,踏上了火星……

为什么遥远的星空对我们会有如此大的诱惑力?

当人们从现实角度出发,用了诸多科技上、市场上的理由去解释,都无法自圆其说之后——毕竟,在距离地球亿万里之遥的太空上,与人类的投入相比,获得的回报实在是微乎其微——剩下的答案似乎成为唯一的解释:

人类倾尽所有,只是为了追寻自己的来处。

正如网友们所说:

我们身体里的铁,来自璀璨的超新星爆炸血液里的锌,源自两次中子星对撞后喷射向宇宙的尘埃那微量的铜,更是需要见证一颗白矮星的死亡即使是最微不足道的钴,也源自几十亿光年外的星云

某种意义上,我们都是“星辰之子”。

写在最后

韦布发射前9个月,通过欧洲南方天文台“极大望远镜”(Very Large Telescope)的8个月观测以及长达1年的数据处理,氢气光亮丝线构成的“宇宙网”首次被发现,它还原了约120亿年前的初期宇宙样貌。

韦布发射前6个月,暗能量巡天(DESI)发表了简报,他们分析了1亿个较远星系的形状,通过观察引力如何挤压遥远星系的图像,绘制了宇宙较近区域大量暗物质的分布三维地图,误差只有3%左右。

韦布发射3个月前,来自日本、西班牙、美国、阿根廷、澳大利亚、智利、法国和意大利的科学家组成的国际研究团队使用世界上最强大的天文超级计算机ATERUI II,开发了迄今规模最大、最详细的宇宙模拟软件Uchuu:包含2.1万亿个粒子,跨越96.3亿光年的距离,模拟了宇宙从大爆炸到现在整整138亿年中物质的演化,使科学家能在迄今无法想象的大小和细节层面上研究宇宙的演化。

韦布发射7天前,中国锦屏地下实验室(目前世界上最深的地下实验室,距地面2400米)公布了最新的核天体物理关键反应数据,涵盖恒星中产生26Al的关键反应 25Mg(p,γ)26Al,AGB星演化中关键问题19F(p,αγ)16O、核天体物理的“圣杯” 12C(α, γ)16O反应,中子源反应13C(α,n)16O反应等,将人类对宇宙元素起源和恒星演化的认知往前推了一步。

……

在空间望远镜追寻宇宙诞生之初的那道光时,其他领域也没有停止对世界本源的探寻,寻找着“我们是谁,我们来自何方?”的终极答案。我们相信,这个问题得到解答的那一天终会到来。

*参考资料:

https://jwst.nasa.gov/

https://www.bilibili.com/video/BV1eL411W73F?spm_id_from=333.999.0.0

https://twitter.com/NASAWebb

https://www.youtube.com/channel/UCLA_DiR1FfKNvjuUpBHmylQ

https://www.chinanews.com.cn/gj/2021/03-19/9435803.shtml

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/6/362956.shtm

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-09/15/content_521987.htm?div=-1

http://ciae.ac.cn/newsContent.jsp?RID=3394

本文来自微信公众号“品玩”(ID:pinwancool),作者:白宁,36氪经授权发布。

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