詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡——探索宇宙歷史的“深空巨鏡”

新華社北京12月31日電(記者張瑩)美國詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡12月25日從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空，踏上奔赴日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)的遙遠(yuǎn)旅程。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡由美國航天局與歐洲航天局、加拿大航天局聯(lián)合研究開發(fā)，被認(rèn)為是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的“繼任者”。美國航天局說，韋布空間望遠(yuǎn)鏡將幫助科學(xué)家探索宇宙各階段歷史：從太陽系天體到早期宇宙中最遙遠(yuǎn)的可觀測(cè)星系。它的新發(fā)現(xiàn)將有助于揭示宇宙起源的秘密，了解人類在宇宙中的位置。韋布空間望遠(yuǎn)鏡的建造有何獨(dú)特之處？它將怎樣履行使命？

部署在深空的“金色巨鏡”

據(jù)美國航天局官網(wǎng)介紹，作為該機(jī)構(gòu)送入太空的最大、最復(fù)雜的空間科學(xué)望遠(yuǎn)鏡，韋布空間望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)“技術(shù)奇跡”，將在軌部署運(yùn)用到極致。

主要在紅外波段觀測(cè)的韋布空間望遠(yuǎn)鏡由光學(xué)和科學(xué)儀器、遮陽板以及被稱為“航天器總線”的支持系統(tǒng)等部分組成，總重量6.2噸。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)模塊采用“三反射鏡消像散系統(tǒng)”：被主鏡捕捉的紅外線要經(jīng)過次鏡和三級(jí)鏡反射，再由精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡傳遞至科學(xué)儀器模塊。直徑達(dá)6.5米的巨大主鏡成為韋布空間望遠(yuǎn)鏡外形最亮眼之處，它由18塊六邊形鏡片拼接而成，采集光線面積達(dá)到其“前任”哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的5倍以上。次鏡由3個(gè)從主鏡正面延伸出來的長(zhǎng)臂支撐，三級(jí)鏡和精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內(nèi)。

為使敏感的紅外信號(hào)免受太空輻射干擾，韋布空間望遠(yuǎn)鏡需在約零下220攝氏度的低溫環(huán)境中工作。它的主鏡、次鏡和三級(jí)鏡鏡片的制造材料均選用金屬鈹。這種金屬密度低，硬度相對(duì)較高，低溫下不易收縮變形。鏡片表面噴涂了一層厚度僅100納米的黃金，其目的是優(yōu)化鏡面反射紅外線性能。

集成科學(xué)儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀、中紅外儀等設(shè)備，它們將對(duì)韋布空間望遠(yuǎn)鏡收集到的光線進(jìn)行分析成像。

風(fēng)箏形狀的巨幅遮陽板位于主鏡下方，為韋布空間望遠(yuǎn)鏡抵擋來自太陽、地球和月球的輻射。遮陽板面積接近網(wǎng)球場(chǎng)大小，設(shè)計(jì)成5層薄膜結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為鍍鋁聚酰亞胺，距離太陽最近的外層厚度為0.050毫米，其他層厚度0.025毫米。遮陽板將望遠(yuǎn)鏡分隔成分別朝向深空和朝向太陽的冷熱兩側(cè)，其溫差極限超過300攝氏度。

由于體型太過巨大，韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射時(shí)以折疊狀態(tài)裝入阿麗亞娜5型火箭整流罩內(nèi)。望遠(yuǎn)鏡的部署軌道位于日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)附近，它需經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的飛行，才能抵達(dá)這一距離地球約150萬千米的深空區(qū)域。

拉格朗日點(diǎn)又稱平動(dòng)點(diǎn)，在該點(diǎn)處，航天器在太陽和地球兩個(gè)天體引力的共同作用下，剛好能獲得隨地球同步運(yùn)動(dòng)所需向心力。這個(gè)理想軌道將使韋布空間望遠(yuǎn)鏡在隨地球一起繞太陽運(yùn)行時(shí)始終處于地球暗夜的一側(cè)，確保遮陽板外層始終對(duì)著太陽、地球和月亮的方向。位于該區(qū)域還能減少在軌期間燃料用量，并與美國航天局“深空網(wǎng)絡(luò)”天線保持通信。

回望早期宇宙

從概念誕生到開始建造，再到組裝測(cè)試并最終發(fā)射，韋布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目已歷時(shí)20余年。來自十多個(gè)國家的數(shù)千名科學(xué)家和工程技術(shù)人員投身其中，累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)約4000萬小時(shí)，耗資高達(dá)100億美元。

美國航天局介紹，韋布空間望遠(yuǎn)鏡將以“前所未有”的分辨率觀測(cè)近紅外至中紅外波段光線，以補(bǔ)充并推進(jìn)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡以及其他美國航天任務(wù)的天文發(fā)現(xiàn)。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波長(zhǎng)范圍是115納米至2.5微米，分布在紫外到紅外波段；而韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波長(zhǎng)范圍是600納米至28.8微米，主要處于紅外波段。紅外觀測(cè)有何優(yōu)勢(shì)？不同于紫外線和可見光，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線能繞過塵埃，可讓望遠(yuǎn)鏡看到隱藏在塵埃云背后的天體。更重要的是紅外觀測(cè)有助于科學(xué)家“以更近距離看到萬物起源”。隨著宇宙持續(xù)膨脹，早期發(fā)光天體發(fā)出的紫外線和可見光朝光譜的紅端移動(dòng)，最終以紅外線的形式在今天抵達(dá)近地空間，這種現(xiàn)象稱為“紅移”，而發(fā)生紅移的天體有可能被紅外望遠(yuǎn)鏡捕捉到。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)目標(biāo)主要有4個(gè)方面：尋找135億多年前的宇宙中誕生的第一批星系；研究星系演化的各階段；觀察恒星及行星系統(tǒng)的形成；測(cè)定包括太陽系行星系統(tǒng)在內(nèi)的行星系統(tǒng)的物理、化學(xué)性質(zhì)，并研究其他行星系統(tǒng)存在生命的可能性。

自發(fā)射開始，韋布空間望遠(yuǎn)鏡要在太空中進(jìn)行為期約6個(gè)月的調(diào)試，包括展開遮陽板和鏡面、冷卻望遠(yuǎn)鏡、校準(zhǔn)設(shè)備等。預(yù)計(jì)韋布空間望遠(yuǎn)鏡將于2022年6月底前正式“上崗”，開始收集第一組科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)。該望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃服役期限為5年，不過科學(xué)家樂觀地認(rèn)為，它的服役期限有望延長(zhǎng)至10年。