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    • 20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      空间与时间,它一眼望穿。

      来源:科研圈(ID:keyanquan)
      作者:武大可

      原标题:刚刚,史上最强最贵的空间望远镜发射升空!反复延期14年、耗资近百亿美元,詹姆斯·韦布望远镜为何令世界如此期待?

      延期 14 年,超出预算近 20 倍,史上最强也最贵的空间望远镜终于发射了!

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      2021 年 12 月 25 日,Ariane 5 火箭搭载 JWST 发射升空(模拟图)。来源:ESA

      据美国航空航天局(NASA)消息,美国时间 12 月 25 日 07:20(北京时间 20:20),詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)由 Ariane 5 火箭搭载,从法属圭亚那航天发射中心发射升空。

      JWST 将首先进入近地轨道,并在 29 天后抵达 150 万公里(相当于地月距离的 4 倍)外、远离地球大气和太阳辐射干扰的日地拉格朗日点 L2,并在轨工作至少十年。JWST 将实现远胜目前所有地面或轨道望远镜的高精度红外观测,前所未有地揭示可观测宇宙深处、宇宙诞生初期的神秘图景。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      JWST 海报。图片来源:NASA/JPL-Caltech

      从项目规划到 JWST 成功发射,已经过去了 20 余年。它的前身「下一代空间望远镜」(Next Generation Space Telescope,NGST)最初被提议在 2007 年发射,但 JWST 直至 2021 年的现在才终于升空,总花费也由最初规划的 5 亿美元增加到了近百亿美元。这场发射为何让全世界等待了 14 年之久,JWST 将传回的宇宙画面又会为人类带来怎样的科学突破呢?

      01

      欲善其事,先利其器

      「贵有贵的道理」。与极度复杂的设计比起来,JWST 建造工期的推延和的项目成本的追加其实情有可原。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      JWST 由 3 个部分构成:科学仪器模块、光学望远镜元件和航天器元件。图片来源:James Webb Space Telescope

      为了在发射空间的限制下提供更强大的观测能力,JWST 的 6.5 米口径主镜被设计成了由 18 块六边形主镜面组成的可折叠结构。要知道,光学成像对组件的精度要求极高,就连 2.4 米口径的哈勃望远镜单块主镜都曾在入轨后被发现存在缺陷,靠 NASA 后续派遣宇航员修复才得以正常工作。对更大、更精准,并且由多块镜面拼接而成的 JWST 主镜来说,要在经历了剧烈的发射过程后自主完成纳米级的校准,绝非易事。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      JWST 的主镜正接受低温测试。图片来源:NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given

      更何况,JWST 并不会停留在充满电磁干扰的近地轨道,而要前往 150 万公里外的日地拉格朗日点 L2 工作——那里并非现今人类宇航员可及之处,JWST 的任何设备组件一旦出现故障,将完全没有修复的余地。因此,从发射到开机,JWST 的部署只有一次机会。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      拉格朗日点是两个大天体的引力与轨道运转的惯性力相平衡的点,卫星仅需极少的能量就能维持在拉格朗日点运行。两个天体的系统共有 5 个拉格朗日点,L1-L5。JWST 将在其中位于太阳-地球连线外侧 L2 点运行,到地球的距离是地月距离的 4 倍。相比近地轨道,这里的噪声信号更少。图片来源:NASA

      JWST 还拥有一个 0.7 米的二级镜,外加一个较小的三级镜,用于消除散光,令焦平面保持平直。三者的组合能为望远镜提供更大的视野,但整个结构的尺寸也增加了发射部署过程的复杂度——连接二级镜的吊杆足足有 8 米长,为了能被塞进火箭内部,它必须被折叠安装。这同样加大了展开后校准的难度。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      工程师正用干冰清洁 JWST 的二级镜面。图片来源:NASA/Goddard/Chris Gunn

      在考虑众多因素之后,NASA 决定使用特种材料制造这 3 个镜面。铍金属公司 Materion 专门为此研发了先进的特种镜面材料 O-30,能够在太空环境下保持稳定的光学性能。但这些镜面仍需 36 K(-237°C)的低温才能确保稳定工作。为了保持如此低的温度,JWST 还配备了一个巨大的 5 层遮阳罩。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      JWST 的遮阳罩展开后的形态。图片来源:Chris Gunn – NASA Goddard Space Flight Center

      遮阳罩的大小与网球场相当,挡在太阳(地球和月球也在该侧)与望远镜的仪器之间,隔绝来自外部的辐射,并被动地把自身热量辐射到太空中。由轻质的硅-铝掺杂材料材料 Kapton 构成的足足 5 层遮阳罩将把望远镜整体冷却到 50 K,光学仪器则会被冷却到 7-39 K。5 层遮阳罩各自具有不同的尺寸和厚度,其上还有特殊的接缝和加固结构来抵御太空陨石等的潜在伤害,必须在空间上精确地展开至准确位置。

      如此复杂的柔性结构在太空中精确展开,尚属人类航天史上的首次,在测试过程中遇到重重困难,也就不足为怪了——在测试过程中,固定遮阳罩的缆线多次在展开时卡死,遮阳罩本身也遭遇过撕裂。好在与其他部件一样,遮阳罩最终也顺利完成了所有测试和审查,并在模拟中实现了最内层 36 K 的冷却效果。

      除此以外,JWST 还配备了许多其他的先进技术和组件。修正 18 个镜面光学误差的波前算法,将中红外仪器冷却至 7 K 的制冷系统,精确控制视场的光栅阵列,诸如此类,不胜枚举。审查发现,JWST 有 344 个可能的故障点,而其中的每一个都有可能令整个项目功亏一篑。先进而复杂的技术组件加之仅有一次的发射部署机会,使得研发和测试困难重重,JWST 的工程耗时和成本预算都一升再升。

      02

      史上最贵的「鸽子精」

      实际上,JWST 的前身,「下一代空间望远镜」NGST 早在上世纪 90 年代就已开始规划。受到哈勃空间望远镜(发射于 1990 年)巨大成功的鼓舞,1993-1994 年,NASA 的相关委员会提议建造一台比哈勃口径更大的空间望远镜(最初计划为 4-6 米口径),并针对 1-5 微米波段进行优化,发射至日地拉格朗日点 L2 进行红外观测。NASA 随后对项目进行了评估,认为 NGST 可在 2005 年建成,2007 年发射,并给出了 5 亿美元的预算,这一预算在一年后增加到了 10 亿美元。

      随着科学计划的成熟和观测范围的扩大,NGST 的规划设计不断变化,发射日期不得不多次推迟,预算经费也随之增长。到 2002 年,项目规划已将发射推迟至 2010 年,总预算增至 18 亿美元。

      同样在 2010 年,NGST 项目得到了欧洲航天局和加拿大航天局的加入,并以曾在阿波罗计划期间任 NASA 主管的詹姆斯·韦伯(James Webb)的名字重新命名——James Webb Space Telescope,JWST 的名字由此诞生。欧洲航天局和加拿大航天局各投入了一笔资助,令 JWST 的总预算增至 25 亿美元。

      2005 年,JWST 又经历了一次全面的重新规划,预计的发射时间被推迟到了不早于 2013 年,全生命周期成本增加到了 45 亿美元。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      2016 年,JWST 的主镜在 NASA 的戈达德(Goddard)洁净室组装完毕。图片来源:NASA Goddard Space Flight Center from Greenbelt, MD, USA – James Webb Space Telescope Revealed, Public Domain

      JWST 六边形主镜的组装在 2016 年底最终完成——但在随后的测试过程中状况百出,上面提到的遮阳罩展开故障就是例子之一。为确保万无一失,工期不得不一再拖延,项目成本也继续增长。根据 2018 年的评估,NASA 将发射时间再次推迟到了 2021 年 3 月——紧接着,修复、改造和测试工作遭遇了新冠疫情,JWST 的组装、测试和发射又多次延期。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      2010 年的一篇文章将 JWST 评价为「吞噬了天文学的望远镜」(the telescope that ate astronomy)。来源:Nature

      工期一拖再拖,成本水涨船高,令 JWST 项目广受批评,2010 年发表在《自然》(Nature)的一篇文章甚至将 JWST 评价为「吞噬了天文学的望远镜」,美国国会也屡次考虑枪毙这一耗资巨大的项目。美国前总统奥巴马在任内取消了 NASA 的多个项目和任务,包括航天飞机和重返月球的「星座计划」(Constellation program)等等,但 JWST 项目最终留存了下来。到 2021 年 12 月发射之时,JWST 的总计开发成本已达 88 亿美元,预估生命周期总成本则高达 97 亿美元,几乎是最初预算的 20 倍。

      可以说,JWST 是天文学史上最贵的「鸽子精」,好在这一切都是值得的——JWST 终于建成并发射,它将会成为人类历史上功能最强大、成像最清晰的空间望远镜,也将从宇宙的尽头、时间的开端为我们带回无穷无尽的科学宝藏。

      03

      空间与时间,它一眼望穿

      JWST 与 1990 年发射的哈勃空间望远镜同为大型空间望远镜,而哈勃可能在 10 年内退役,因 JWST 常被视为「哈勃的继任者」。但实际上,JWST 并不是哈勃的替代品或升级品。位于近地轨道的哈勃望远镜将和远在日地 L2 点的 JWST 将在未来十年以不同的方式同时执行科学任务。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      JWST 的主镜(右)要比哈勃望远镜的主镜(左)大得多。图片来源:Bobarino

      JWST 的 6.5 米直径主镜的面积达到了 2.4 米直径的哈勃主镜的 6.25 倍,这 JWST 拥有了比哈勃的 NICMOS 相机大得多的视野,空间分辨率也大大提升。但这并不是两者最重要的区别。哈勃望远镜的科学仪器在今天看来仍是十分强大,但它主要进行的是光学波段(400-700 纳米)和紫外波段(小于 400 纳米)的观测,而 JWST 进行的是 600 纳米至 28 微米的红外观测——前所未有的超高精度红外观测能力正是 JWST 无与伦比的科学价值的根本来源。

      JWST 将能够看到的暗淡天体比哈勃的极限还要暗上超过 100 倍——早期宇宙中诞生的第一批恒星和星系,宇宙深处的尘埃云,甚至太阳系外其他可能拥有生命的行星大气。NASA 列出了 4 类能让 JWST 能够大显身手的主要科学观测对象:

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      JWST 将观测早期宇宙和其中刚刚诞生的星系。图片来源:NASA’s James Webb Space Telescope/Flickr

      1、早期宇宙。JWST 正如一台时间机器,它将回顾 135 亿年前早期宇宙中形成的第一批恒星和星系。早期宇宙中天体发出的光经历了数百亿年的宇宙膨胀,发生了巨大的红移,到如今被我们观测到之时,早已转移到了光谱的近红外和中红外部分。因此,要看到宇宙诞生初期的景象、早期宇宙中的恒星和星系,我们需要一个强大的近红外和中红外望远镜——这正是 JWST。

      2、星系历史和演化。星系是如何形成的?是什么赋予了星系如今的形状结构?化学元素如何在其中分布?中心黑洞如何影响宿主星系?星系碰撞时发生了什么?从亚原子粒子到巨大尺度的暗物质结构,不同尺度的宇宙物质结构和星系历史都能为我们提供有关宇宙如何构建和演化的重要线索。JWST 将帮助我们看到宇宙深处的古老星系,通过与今天的星系进行比较,我们或许能够了解它们的成长和演化。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      一些已知的原行星盘。图片来源:NASA’s James Webb Space Telescope/Flickr

      3、恒星生命周期。尽管恒星模型已能较好地描绘恒星在整个生命周期中大部分时间的演化历程,但恒星的早期演化仍是未知,我们也尚不了解气体和尘埃云是如何坍缩形成行星的。想要了解这些过程,我们需要窥视恒星形成时尘土飞扬的原行星盘区域。致密的尘埃使其在可见光波段变得不透明,只有在红外波长下才能被穿透观察。

      20年,100 亿美元,美国发射了一台「时间机器」

      行星在望远镜的视野中太过渺小,无法直接观测到。但行星围绕恒星运行时,会通过遮挡和反射的作用改变观测到的恒星亮度和光谱。图片来源:NASA

      4、地外行星。JWST 的另一项主要任务是研究系外行星的大气,寻找生命的基石。当行星掠过恒星时,恒星的光会被遮挡。通过 JWST 与地面望远镜的协同,径向速度分析将给出行星的质量,而 JWST 将进一步对行星的大气进行光谱分析。当恒星的光线穿过行星大气时,大气中的元素和分子将会吸收特征能量的谱线。而这样的吸收谱中的红外部分包含了最多的光谱特征。JWST 的最终目标之一是找到一颗与地球大气相似的行星。

      上下四方曰宇,古往今来曰宙,从星际尘埃到行星,再到恒星和星系,从大爆炸伊始到第一批星系和恒星诞生,再到可能拥有生命的行星出现——JWST 的视野是 600 纳米到 28 微米的红外谱线,更是全时空尺度的宇宙全貌。其中隐藏着多少全新的科学,等待发现呢?让我们与 JWST 一同拭目以待吧。

      参考来源:

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      *封面图片来源:ESA

      本文来自微信公众号“科研圈”,如需转载请联系 keyanquan@huanqiukexue.com

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