韋布望遠鏡:「令人頭禿」的100億美元製造細節

看到韋布望遠鏡公佈的第一批彩色照片,想起 2022 年普利策獎的釋義性報道獎,就頒給了 Quata 雜誌的 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,看見第一群恆星的星光,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麼大,它的上面不會有超出腳踝高度的山峰或低谷。只有這麼大這麼平的鏡子,才能收集並聚焦來自天空中最遙遠星系的微弱光線……

圖片來源:nasa.gov

圖片來源:nasa.gov

「即使有了這麼特殊的鏡子,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後,已經被大大拉長了。那些最遙遠的恆星發出的紫外線和可見光到達這裡時,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,徹底淹沒了遠古恆星弱小的光芒。因此,要觀測到那些遠古恆星,望遠鏡的大鏡子必須非常冷。它必須被發射到太空。

「問題又來了。沒有火箭能裝下一面有房子那麼大的鏡子。於是,鏡子必須被摺疊起來。

「為了被摺疊,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

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「為了共同聚焦產生清晰的圖像,鏡片們在太空中展開後,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。」

「Ball 航空航天公司提供的制動器能以 10 奈米的精度推動鏡面,這個寬度僅為頭髮的萬分之一。這些電機的工作原理是‘彎曲’,即‘將大的運動轉化為小的運動’。」

「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。」

「鏡子由鈹製成,這種材料輕、結實、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,然後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。最後,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。」

被塗上黃金塗層的鏡片。圖片來源:nasa.gov

但這樣依然還不夠。

「即使被發射到到外太空,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構的微弱閃爍。

「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、地球和太陽都位於同一個方向,架設起一個網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,望遠鏡終於可以進入極度深寒的狀態(-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。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。

「遮陽罩的材料,研究小組選了 Kapton,這是一種光滑的銀色塑膠,看起來很像薯片袋的內層,厚度只有人類頭髮的直徑。Kapton 的撕裂風險不低,因此需要很多層作為冗餘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,將把這五層遮陽罩都充分展開,分離並繫緊。」

首席工程師麥可·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。但現在給你的是一條軟的毯子。在床上推一條毯子,然後試著預測它會變成什麼形狀?太可怕了。同樣的事情也發生在繩子上——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,在零重力狀態下,這些東西可以跑到你不希望它去的地方。」

摺疊成五層的遮陽罩。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。遮陽罩可以摺疊成許多這樣的 Z 字形,也就是‘手風琴式摺疊’。門澤爾覺得這個辦法行得通 。

「下一個問題是,如何保持遮陽罩處於手風琴摺疊狀態,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。如果在展開後,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,直到你開始做了才發現,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,他後來想通了。’安迪勤勤懇懇測試了許久,終於找出了一種方案,使得五層大小各異的 Kapton 遮陽罩不論怎麼展開,上面的針孔都不會排成直線。」

……

一個又一個小難題,不斷出現。結果是,韋布望遠鏡比原計劃遲了 14 年,預算超了 20 倍。

在發射之前,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,「我們已經盡力去發現所有的錯誤,進行測試和演習,此刻,我們將把價值數十億美元的望遠鏡放在一堆爆炸物上。」

在成功發射之後,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

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,它背後是太陽、月亮、和所有人類生活的暗淡藍點。它未來帶回的資訊,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後的一小部分故事。

以上,就是那張彩色照片背後的一小部分故事

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

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