詹姆斯韦伯太空望远镜顺利完全部署,它将会给人类探索研究宇宙带来哪些帮助?

在晴朗的夜晚,我们抬头望向夜空,那点点星光经过数年、数百年、数万年甚至数百万年进入我们的眼睛。假如我们能看得清楚,那我们看到的其实并不是它们现在样子,而是它们发出这束光时的样子,宇宙虽无垠,但有边界,宇宙虽永恒,但有年龄。如果我们看得足够远,也足够清楚,是不是就能揭开宇宙存在和演化的秘密?2021年12月24日,法属圭亚那Kourou,一阵巨响,两枚708吨推力的固体火箭助推器喷射出明亮的火焰,火神2号发动机略一沉吟喷射出7倍音速的透明尾流,并在下方结出漂亮的超音速膨胀波钻石花纹,数百吨的火箭拔地而起,划破苍穹。这是阿丽亚娜5号运载火箭第122次发射,距离揭开宇宙诞生的秘密,人类从未如此接近。

(本文首发于《航空知识》2022年三月刊)

人类的航天科技在百年间取得了不可思议的进步,除了军事竞争以外,更大的原动力还是来自人类本能的好奇心。在1990年,哈勃太空望远镜升空传回极富科研价值并令人心醉的图片,其实同一时期,NASA就已经在考虑制造一台更大性能更高的太空望远镜,这一计划于90年代中期开始具体设计并被命名为“詹姆斯韦伯太空望远镜”(James Webb Space Telescope,下文简称为“JWST”)来纪念NASA第二任局长詹姆斯·韦伯表彰他在阿波罗登月计划期间所做出的杰出贡献。最初计划于2007年发射,然而因为工程挑战过大,预算也从5亿美元涨到接近100亿美元,发射日期也一拖再拖,关于JWST的段子在航天业内以及爱好者圈子里层出不穷,中国航天爱好者给它起的诨名从“鸽王”到“鸽神”,欧美爱好者开玩笑说JWST是个童话故事,每年都会说推迟,然而这个项目实际上不存在。而现在JWST不仅发射成功、顺利展开,而且JWST已经到达目的地——日地第二拉格朗日点附近。

穿越回宇宙婴儿时期的“时光机器”

在宇宙大爆炸之初,世界一片混沌、黑暗却炙热,随着宇宙的膨胀,大爆炸产生的亚原子粒子逐渐结合生成原子,38万年后氢原子开始形成,宇宙中出现了第一道光。宇宙又冷却、膨胀了四亿年,天体开始形成,我们所处的“现代宇宙”雏形初现,又过了大约86亿年,太阳诞生在已经进入青年阶段的宇宙中,在银河系中存在着千亿个“太阳系”,在可观测的宇宙中有千亿个银河系,这满天星辰有的比太阳年轻,有的比太阳年长。而那些最年长的恒星就像时光胶囊一样还保留着宇宙婴儿时期的样貌,它们发出的光就像现代宇宙发生的第一声啼哭,如果能够被我们听到,那对于我们理解宇宙的奥秘毫无疑问可以起到关键作用。

幸运的是,在现代宇宙诞生138亿年后,这第一声啼哭依旧能够被我们“听到”,但我们需要一台望远镜,一台性能无与伦比的望远镜,为了让它降临世界,整个人类科技被无数次挑战。如果我们能够观察到最老的恒星,比如大熊星座的一颗编号为GN-z11的星系,我们在地球上观察到的正是它134亿年前的样子,用我们的肉眼不可能观察到它,不仅是它所发出的光因为穿过浩瀚宇宙变得极其微弱,还有一个重要的原因是它到达地球时已经变成红外线。在这134亿年间,宇宙也膨胀了,地球和GN-z11的距离已经有320亿年。因为光行进的同时空间也在膨胀,光的实际波长就被拉长了,或者说光在光谱中趋向于红色偏移,这一现象是被美国天文学家爱德文·哈勃所发现,正是“哈勃太空望远镜”的那个哈勃。(当光源移动远离观测者时,观测者观察到的电磁波谱会发生红移,这类似于声波因为多普勒效应造成的频率变化)

光在宇宙中行进的时间越久,红移也就越多,为了能够看到“古老”又微弱的光,我们需要的这台望远镜必须对红外线非常敏感,但这一点都不容易。JWST就是针对这一需求而生,在几十年中消耗了NASA天文学领域四分之一的预算,这其中还不包括在项目中欧空局ESA(Europen Space Agency)和加拿大航天局CSA(Canadian Space Agency)的投入。

JWST主镜

在JWST上最显眼的就是它6.5米直径的金色主镜,不仅是颜色,连形状也不像我们印象中的望远镜,反而有点像卫星信号接收器。为了能够将JWST装到阿丽亚娜5号只有4.5米直径的整流罩中,JWST的主镜是由18块六边形副镜组成的,每一块镜子都是由金属铍制作而成,这是一种密度极低的金属,它的原子量只有9。每一块副镜的重量甚至我们用手就可以拿起。

除了重量轻这项对于航天领域极其重要的特征以外,铍在极低温度环境中的热胀冷缩效应很低,这个属性帮助镜面在深空极寒环境中(零下235度)维持形状,虽然铍的强度并不高,但是铍的硬度非常高,是钢材的六倍,这也可以帮助镜面在受力时维持形状。但是这也只是铍材料本身性能优秀,并不意味着我们可以用它作出符合预期的镜面,诺斯罗普格鲁曼的工程师成功地用铍加工出表面粗糙度只有19纳米的平面,也就是人一根头发直径的几千分之一。镜子最终再被赋予一层黄金镀层让它可以更好地反射光线,金色并不是一个常见的镜面颜色,是的,金色对于可见光的反射能力并不出色,但是金色对于红外线的反射率特别优秀,(黄金镀层是因为相比于其他电介质涂层而言,金属涂层会让镜面电场为零,以至于可以反射所有波长的光,包括红外光和可见光,镀金或者银会更稳定)。

JWST的使命是去捕捉微弱的红外线,所以金色是个最合适的颜色,18块副镜再被镀上一层只有0.1微米厚的黄金,25平米的主镜一共只用了48.2克黄金。因为本身主镜在发射前是被折叠的,而且在发射过程中会经历剧烈的震动和过载,这无疑会影响主镜的光学表现,所以工程师在每一块副镜后面都装了数个作动器,可以独立调整副镜的角度甚至通过改变镜面曲率来调整对焦,这在哈勃太空望远镜刚刚投入使用时是个很大的问题,球面像差导致哈勃成像质量远低于预期,在发射三年半以后由奋进号航天飞机载着宇航员对哈勃进行在轨维修才解决了这个问题。尽管JWST的主镜面积是哈勃太空望远镜的5.5倍,但是重量却轻了62%,从这两台望远镜的对比就能感受到这几十年中人类航天科技取得了多大的进步。

ISIM综合科学仪器模块

JWST主镜收集的光被反射到主镜前方支撑结构上的副镜,然后再被反射进入主镜中央的三级反射镜来消除像差,光路被精心地设计,这里还有一面用于图像稳定的精细转向镜,作为人类制造过最复杂和昂贵的图像稳定系统,它和JWST的姿态精确控制系统协作,这套系统会寻找一个远处的恒星,每64毫秒通过6个反作用轮的作动来调整JWST的姿态和位置让这颗恒星始终位于视野的正中间。

近红外相机NIRCam

当JWST收集的光走过这精心设计的光路进入综合科学仪器模块(ISIM)后,有四套不同的图像处理设备在这里对光进行相应的处理,第一套设备是近红外相机NIRCam,它作为一种红外成像仪,可以捕捉到波长为0.6微米到5微米的光,这也是唯一一个能够看到一部分可见光的设备,NIRCam还装备了日冕仪,在观察宇宙的时候可以把最亮的光源遮住以便于对那些较暗的目标进行更好的观察,就像我们会遮住明亮的太阳来看清那些更暗的物体。作为一个装备了日冕仪的红外线成像仪,NIRCam探测到宇宙中那些很暗的光。不同原子所发出的光会有不同的波长,(应该不是不同原子发出的光不同,而是不同原子的电子跃迁所放射出的光子具有不同的能量,所以我们观测到的光的频率和波长会有不同)而发出的光在膨胀的宇宙中也会逐渐红移,假如看到的是一个单一波长的光,那我们能得到的信息很有限,但幸运的是通常我们看到的光都是由不同波长的光构成的,所以这些光里面包含了丰富的信息,但是NIRCam并不能对所看到的光进行如此细致的解读。

近红外光谱仪 NIRSpec

仅仅是看清并不为我们解答看到的到底是什么东西。这时候第二套设备NIRSpec近红外光谱仪就派上用场了,它可以对一个光源进行光谱分析,将收到的光分解为一个光谱,光里面所含有的信息在这里就被解读,其中包括发光物体的质量、温度以及它的化学成分。光谱分析如今已经在从医学、物理到工业有着非常广泛的应用。但是NIRSpec把光谱分析做到了另一个高度,为了避免浪费时间,NIRSpec在整个视野中装了50万个微快门,需要看哪个光源的时候就关闭其它只这个光源方向的快门。

中红外成像-光谱仪MIRI

NIRSpec可以分析波长为0.6-5微米的光,为了看到最古老的恒星,这依旧不够,JWST最核心的光学分析仪器MIRI中红外成像-光谱仪不仅可以观测到波长为5-27微米的中长红外线,而且还能对其进行光谱分析。观测如此暗的红外光是个极度困难的事情,不仅明亮的太阳和地球会遮盖本身微弱的光源,而且光学仪器的本身的温度没有低到绝对零度,而且在作业的时候会有一部分机械能转化成热能,所以难免会有黑体辐射,也就是因为有温度而向外发出的热辐射。所以为了观察到如此暗淡的红外光,仪器本身必须被降到非常低的温度来减少发光,那么要冷到什么程度呢?比宇宙绝对零度只高7度,或者说零下266度。NIRCam和NIRSpec都可以在零下235很好地工作,在宇宙中不需要额外的主动冷却措施。但是为了降MIRI冷却到零下266度,主动冷却是必须的。

我们在日常生活中不管是冰箱还是空调里都通过工质的蒸发来实现热量“搬运”,但是在太空中因为没有重力所以气液无法分离,再加上压缩机产生的震动会破坏望远镜成像质量,如果望远镜对准的是百亿光年外的目标,一些极其微小的震动都会使得画面模糊。工程师为MIRI设计了一套利用声学原理的主动冷却系统。声音的传播就是工质(此处为气体)的压缩和膨胀,根据热力学其它条件不变,当气体在压缩时会升高温度,而在膨胀时会降低温度,如果在一个空腔内精准地制造一个声波,让压缩总是发生在一处,而膨胀发生在另一处,那么这其中的温度差就可以被用于制作一个并不依靠重力的主动冷却器。MIRI所搭配的声学主动冷却器对称的空腔构成,两侧的活塞在制造声波时可以抵消对方产生的震动,这样才能保证JWST得到最好的成像质量。

以往我们的观测设备在观察一些天体时会被宇宙尘埃遮挡视野,当然宇宙尘埃团也是非常壮观和值得研究的,但也阻挡了我们对尘埃后天体的观测。根据光的传播特性,波长越长的光越不容易被障碍物阻挡,所以那些被宇宙尘埃所遮挡的天体虽然可见光被尘埃所遮挡,但是它们所发出的红外线可以更好地被我们观察到,也就是说MIRI的中红外成像能力不仅可以看到遥远和古老的天体,还可以透过宇宙尘埃看到其它光学望远镜无法看清的天体细节。

精细制导传感器和近红外成像仪和无缝隙光谱仪FGS/NIRISS

为了让JWST在轨道中对准一个百亿光年外的目标,还需要一套极其精准和敏感的“瞄准”系统,这就是ISIM中的第四套设备——由加拿大宇航局CSA、欧空局ESA和美国宇航局NASA共同研发的FGS/NIRISS(精细制导传感器和近红外成像仪和无缝隙光谱仪)。FGS会盯住一个选择好的观测目标并且不停地向精细姿态控制系统发出调整姿态的命令,而NIRISS也是一个集成像和光谱分析功能于一体的设备,但它的职责不同于其它设备,它通过近红外成像、在0.6-5微米波长的范围内无缝隙光谱分析和高对比度干涉成像的能力来为JWST寻找具有观测价值的目标。

JWST的观测能力有多强,成像设备有多敏感呢?即使JWST6.5米直径的主镜大约每秒钟只接收到一个从观测目标发出的光子,JWST也可以对目标进行成像和光谱分析。那每秒钟一个光子又是多么微弱暗淡的光呢?即使是夜空中最亮的那颗星,当我们抬头看着它的时候每秒钟大约有一百万个由他发出的光子进入我们的眼球。

薄如蝉翼的太阳盾

科学仪器是JWST的核心,这是JWST为什么被设计和制造出来,但是科学仪器只是JWST的一部分,在主镜的另一侧是热端,这里不再是零下两百多度的超低温而是零上85度,姿态控制系统、推进动力系统、电力和天线等等系统都被放置在这里。将零上85度的热端和零下两百多度的冷端分割开来的是JWST和主镜一样显眼的太阳盾(Sunshield),虽然名字听上去有些厚重,但它是由五层聚酰亚胺薄膜组成,这是一种热稳定性非常好的材料,从零下一百多度到零上两百度都可以表现出良好的材料性能,但是半透明的聚酰亚胺并不能很好地阻挡阳光,所以聚酰亚胺薄膜又被镀上了一层100纳米厚的铝来提供反射能力,朝向太阳最近的两层膜厚度只有0.05毫米,其它的三层膜只有0.025毫米厚,如此巨大而脆弱的结构还要被施以张力维持形状,在太空中被陨石击中整个撕裂的可能性是很高的,所以工程师还为每层太阳盾都增加了强化结构让它在受到破损时不至于整体撕裂。

第一层膜可以把大部分阳光都反射回宇宙,一小部分没能被反射的能量被隔热膜所吸收然后以辐射的形式再释放出来,朝向冷端的辐射会在两层膜之间不停地反射并逐渐向外,最终被反射到宇宙中,而穿过这五层隔热膜的能量少到可以通过JWST的主镜和科学仪器辐射被动冷却。如果量化一下,JWST的太阳盾面积相当于一个网球场,会收到200千瓦的太阳光,而穿过太阳盾达到冷端的只有二十万分之一,也就是1瓦。

假如JWST像哈勃太空望远镜一样在地球轨道上工作,那不仅会受地球的光照影响,而且还需要频繁地调整姿态和轨道,对于维持冷端的低温也十分不便,所以JWST的工作地点是地日系统的第二拉格朗日点附近的轨道,在第二拉格朗日点地球和太阳的引力达到平衡,在这里JWST不需要频繁启动调整轨道,不仅可以节省燃料还能保持望远镜长时间的对准。JWST之所以不是在第二拉格朗日点而是一个围绕着第二拉格朗日点的轨道是因为这样在前往的过程中不用消耗那么多燃料,而且避开了地球投下的阴影,虽然冷端非常冷,但是热端还是需要太阳光照射通过太阳能电池板提供2000瓦的电力。

动力和寿命

虽然在第二拉格朗日JWST维持轨道所消耗的燃料远远小于在地球轨道,但并不是不需要。除了修正轨道的两对互为备份的主发动机以外,当反作用轮的转速过快,也需要点燃另外16个姿态修正发动机(数量,是喷嘴还是发动机个数,有的情况是一个发动机不同方向两个喷嘴)提供反力矩让反作用轮转数下降。虽然JWST装备了众多全新科技,但是动力系统还是无法摆脱化学火箭发动机的束缚。16个姿态修正发动机是最简单的液体火箭,联氨被进入发动机被催化分解生成氮气、氢气和甲烷并放出热量,高热气体在超音速喷嘴中被加速喷出制造推力,因为只有一种燃料参与反应,既没有燃烧也不需要点火,这些发动机非常简单和可靠,但是效率低下。在四台主发动机,联氨作为燃料和作为氧化剂的四氧化二氮燃烧生成氮气和水,释放出更多热量,在超音速喷嘴中被加到更高的速度。JWST上的燃料足够使用十年,当这159升燃料和79.5升氧化剂耗尽,JWST无法修正姿态和维持轨道时,它的生命也就结束了。因为JWST的工作地点距离地球150万公里,NASA并没有载人航天器可以运送宇航员为JWST补充燃料,而且这么远的距离也并不现实,JWST巨大而脆弱的太阳盾也很容易在燃料加注任务中受损,所以NASA并没有给JWST加注燃料延长寿命的计划,但是坊间有传闻NASA在研究用一台太空机器人为JWST补充燃料的技术可能性。

JWST的太阳盾不仅让补充燃料变得几乎不可能,而且这正是JWST推迟了十几年才发射的罪魁祸首,折叠和展开一个刚性的机械结构并不十分困难,但是折叠和展开一个柔性结构是极其难以设计和模拟的,每次折叠的效果只有在展开的时候才知道,而同样的折叠方式也不一定产生同样的展开结果,所以JWST的太阳盾在这十几年中经历了无数次复杂的折叠、展开反复试验,太阳盾还曾被意外撕裂过。其它刚性结构的折叠和展开虽然没有太阳盾那么困难,但是依旧我们看JWST的展开全过程就像一个被揉成纸团的千纸鹤只靠自己就舒展成它本来漂亮的样子,这毫无疑问是人类设计过最复杂和困难的航天器展开了,其中包含了超过300个可能会出问题的关键节点,只要其中任何一个地方出问题,那么整个项目就会彻底失败。然而好消息是,JWST已经顺利地完全展开了,任务最难的部分已经完成了。

结尾

现在我们已经看到JWST传回地球的第一张图片,在接下来的几年,如果一切顺利,JWST还会传回现代宇宙婴儿时期的照片。JWST和其它忙碌在太空中和不同星球轨道上,甚至表面上的航天器在不断地扩展我们知识的边界,先驱者10号、新视野号、帕克太阳探测器,当然还有旅行者号姐妹代表人类造访孕育地球和人类文明的宇宙。

在这里我想用我书的一段话来结尾。

躺在郊外的草地上,望向晴朗的夜空,有的光经过数年、数万年、甚是数百万年才进入我们的眼球,来自宇宙不同角落的光汇聚于我们眼中而形成这漫天星海。和我们几千年来的祖先一样,我们看到这漫烂星辰,但不同于我们的祖先,通过航天工程我们已经逐渐解开宇宙神秘的面纱。

那我们为什么要去探索宇宙?

因为它就在那里啊。

来源:知乎 www.zhihu.com
作者:卢西

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