一再难产的韦伯望远镜,即将发射升空,会成为又一个天文传奇吗?

韦伯望远镜的全称叫詹姆斯·韦伯空间望远镜,英文名为James Webb Space Telescope,缩写为JWST。詹姆斯·韦伯其实是一个已故的人名,他是NASA(美国航天局)第二任局长,在任期间功勋卓著,为老美乃至人类的航天事业做出了不朽贡献,其中探月工程和阿波罗载人登月都是他手上的杰作。

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为了纪念和表彰他在航天事业中的突出贡献,NASA将这艘迄今最先进的空间天文台以他的名字命名,是众望所归。

韦伯望远镜还没上天就留下许多“传奇”

这些“传奇”是难产得太离谱,追加投资也太离谱。

按最早计划,韦伯望远镜(后面有时简称韦伯)在2014年发射升空;后来改为将在2018年10月发射;再后来又推迟到2019年3~6月;再后来又推迟到2020年;还是不行又推迟到2021年3月。现在这一切都已经成为过去,韦伯望远镜依然蹲在地球上。

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2021年10月12日,韦伯望远镜终于运到了位于南美洲的法属圭亚那火箭发射场,准备在这里发射升空。之所以不在美国境内NASA自己的基地发射,是因为这个发射场地处赤道附近,地球自转给火箭速度的助力是最大的,等量燃料可以发射更大有效载荷。

但难产效应似乎还没有完结:开始定于10月18日发射,后来又宣布推迟到12月22日,再后来又推迟到12月24日,最新消息是受到恶劣天气影响,发射推迟到12月25日。过去是数年数年推迟,现在是一天一天推迟。

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这有点像传说中的神仙出世,怀孕越久,生下的神仙就越厉害。哪吒就是母亲怀孕3年6个月才生下,生下后就成为一个传奇。那么韦伯望远镜也会成为一个传奇吗?

韦伯望远镜不但发射时间一再难产,追加投资也十分离谱。1996年立项时,计划投资是5亿美元,随着发射的一再推迟,投资不断追加,逐步涨到20亿美元,再到40亿美元、60亿美元、80亿美元,现在NASA估计投资已经超过96亿美元,到最终完成发射定位,启动观测任务,投资超过百亿美元已是铁板钉钉了。

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这花100多亿美元砸出来的韦伯望远镜,预定工作时间期限只有10年。而只花了24亿美元(含后期维护费用)的哈勃望远镜,如今已经工作31年了,创造了许多奇迹,依然在轨运行。

难道真的是一代不如一代,钱窝里长大的孩子只会坑爹吗?到底是坑爹还是传奇,我们不妨先来了解一下。

韦伯与哈勃的比较

首先,哈勃的主镜口径只有2.4米,韦伯的主镜口径有6.5米,是哈勃的2.7倍,聚光面积是哈勃的6.25倍;哈勃的主镜采用玻璃制造,而韦伯则采用金属铍,高度抛光,粗糙度控制在20纳米。口径加上精度,有人预测,韦伯的分辨率将会比哈勃高出100倍。

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第二,与哈勃相比,韦伯抛弃了笨重的镜筒,主镜和第二反射镜光学部件完全裸露在外。因此,哈勃质量高达11吨,韦伯却只有6.2吨,更便于发射到更高更远的轨道。没有了镜筒遮光,韦伯在屁股下面采用巨大遮光板来挡住太阳、地球、月球的光(包括红外线)。

韦伯的遮光板有5层,层与层之间有间隙,这样,向阳一面温度可达110℃,经过遮光板的层层反射吸收和衰减,到达主镜时温度就能降到-223℃。为了保证近红外、中红外的观测环境,望远镜的冷却系统还可以将环境温度分别降到-234℃和266℃。

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第三,观测拍摄方式与哈勃不同。哈勃主要拍摄的是可见光波段,韦伯也能拍摄可见光照片,但重点是观测拍摄红外波段,这样将得到更丰富和更清晰的照片。但要提高红外探测能力,就要在足够冷的环境工作,理想的工作环境就是要接近绝对零度。

因此,韦伯被安排在比哈勃高很多的空间工作,哈勃距地面只有575公里,而韦伯将运行在距地球150万公里处的第二拉格朗日点,月球过去还有110多万公里,距离是哈勃的2608倍。

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运行周期:哈勃为1小时36分钟绕地球一圈,时刻会暴露在太阳、地球和月亮的光芒中,为了保证观测,哈勃只能做一个巨大的镜筒遮光;而韦伯会与地球同步围绕着太阳公转,一年一圈,大多数时间躲在地球的阴影里,可以遮住太阳大部分光线,还有厚厚的遮阳板保证望远镜的工作环境。

在150万公里距离工作,还可以远离地球辐射和太空垃圾的伤害。如果在近地轨道,就很难保证红外波段的观测效率,而且被一个太空垃圾击中,100亿美元就化为乌有了,许多科学技术人员花费了二十多年的心血也泡了汤。

韦伯望远镜能够创造出比哈勃望远镜更多更大的奇迹吗?

科学家们对韦伯最大的期望是能够观测到接近宇宙起源处,从而检验标准宇宙模型的精确性,让人类对宇宙的认识更深刻。

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现代标准宇宙模型理论认为,宇宙起源于138亿年前的大爆炸。宇宙中任何信息最快的传递速度就是光速,也就是说大爆炸的光传递到我们眼中需要138亿年,如果能够看到138亿年的宇宙,将是大爆炸那一刻的状态。

由于宇宙膨胀,光线的传播会发生红移效应,就是向波长更长的光谱红端偏移。根据哈勃定律,距离越远,星系的退行速度越快,红移量就越大,因此,130多亿光年距离的光传递到地球,早就脱离可见光波段范围了,成为了红外线。

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红外线波长越长,穿透宇宙尘埃的能力就越强,因此可见光望远镜无法观测到的远方天体,可以用红外望远镜观测到,要想更好观测宇宙早期天体,就必须提高红外波段的观测能力。

这就是韦伯望远镜如此重视红外波段的原因。哈勃望远镜观测到最远的星系距我们134亿光年(上图),那是宇宙诞生后4亿多年的样子,这已经是哈勃的观测极限。科学家们相信,韦伯发射成功并正常工作后,有可能观测到距我们136亿光年的天体,获得宇宙诞生后2亿年左右的照片。

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这是神奇的穿越。当韦伯带领我们穿越136亿年时光,看到大爆炸仅2亿年的婴儿宇宙,是多么的令人震撼。这对验证我们已有的理论非常重要,不管是证实还是推翻了已成定论的标准模型,对人类来说,都将是一个巨大的进步。

除此之外,韦伯在观测发现太阳系外行星,甚至地外生命和地外文明方面,也将发挥出比哈勃更强大的功能。可以预见,韦伯升空到达预定轨道后,将会带给人类一个又一个新的惊喜。

风险和难点

一切都因为对韦伯的期待太高,韦伯的工作地点距地球太远,才会一再推迟发射,又一再增加预算。要知道哈勃望远镜只在575公里的近地轨道运作,即便有什么问题,也方便维护和修理。

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果不其然,哈勃一上天就发现主镜有球面像差,严重降低了观测能力,幸好有航天飞机载着宇航员们前往维修,才让其发挥出正常功能。经过先后五次被派出航天员维护,哈勃才取得了今天的成就。

而韦伯工作地点是在远离地球的L2拉格朗日点,距离我们有近4个地月距离,是哈勃望远镜距离的2608倍。现在人类登陆月球都很难,更别说要去超过月球100多万公里的L2拉格朗日点了。

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这样就要求韦伯望远镜在地面时必须打造得很完美,上天后才能自主无故障工作10年,直到燃料和制冷剂消耗殆尽。因此在制造过程中,需要精益求精,一旦发现一点点小毛病,就会重新修正而推迟发射计划,如果勉强发射,就可能导致功亏一篑。

这也是韦伯望远镜只能使用10年的原因。当然,随着人类航天事业的不断进步,未来航天员到达L2拉格朗日点去维护韦伯也不是没有可能的,那样韦伯的使用寿命将会得到延长。

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NASA的载人重上月球计划正在实施中,在2025年左右将会实施载人在月背登陆,而且会提前在地月轨道建设一个叫深空门户的空间站,作为登月的中继站。或许即将发射的韦伯望远镜到时会助这个登月计划的一臂之力。

深空门户的建成,或许也将为维护韦伯创造点条件。但有人认为,很可能未来维护韦伯的任务会落到马斯克的星舰头上,这是后话了。目前马斯克已经获得了NASA的月球往返深空门户运输合同,星舰正忙着为载人登月作准备呢。

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现在的问题是,一再难产的韦伯望远镜12月25日能顺利升空吗?让我们一起期待。欢迎讨论,感谢阅读。

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