2018，全球最大太空望远镜发射

李和昌

2018年，太空领域又将迎来一项意义重大的事件：全球最大的太空望远镜，即韦伯望远镜将飞向太空，去探索星系最古老的祖先和宇宙中的第一代恒星。它揭露银河系中恒星及行星的形成过程，甚至有机会首先发现宇宙中其他地方存在生命的证据。

发射姗姗来迟

韦伯望远镜原计划于2014年发射，但由于项目超支等原因，不得不推迟了4年时间。质量为11吨的哈勃望远镜在1990年4月24日发射升空，迄今为止已经工作了27年，退役日期将是2040年。同它相比，韦伯望远镜的质量要轻一半左右，能力却要强很多很多。首先，它将是人类建造的最大太空望远镜，其收集区域的面积相当于哈勃望远镜7信。其次，它将用于收集红外光，而哈勃望远镜对此则不太敏感。

韦伯望远镜的主反射镜由铍制成。在军工领域，铍是一种非常关键的材料，主要用在洲际弹道导弹、航天器和核弹头上。铍在地壳中的含量虽然不像贵重金属那么稀少，但在探明的几十种铍矿石之中，只有绿宝石等少数几种材料具有进行工业开采和提炼铍的能力。制作镜片不仅仅需要价格非常高的材料，而且加工的精度要求也极高。韦伯望远镜的主镜由18块铍制的六边形镜片拼接而成，每一块都要经过无数道工序的打磨，接受无数次苛刻的检验。每个镜面的抛光误差不得超过10纳米（1纳米=10^-9米）。比如，头发丝的精度为0.05毫米左右，将它平均剖成5万根，每根的厚度就是1纳米。反映到造价上来，韦伯望远镜是极其高昂的，它要花费87亿美元。

观测更远深空

美国旧全山湾附近一个光学实验室里，一块暗灰色反射镜片竖立在一个低矮平台上。这块经过精密切削和打磨的铍板呈完美的正六边形，厚约5厘米，宽超过12米，在实验室微弱灯光的映照下泛着亮光。不过，这块镜片的背面几乎是空心的，被机械师给掏空了，只留下一个由众多细肋条构成的、错综复杂的三角形龙骨。它的精密几何结构美得令人心动。整块反射镜片原重250千克，经过打磨掏空后，仅重21千克。如此轻的质量，以至于一枚火箭就足以推举侣块这样的反射镜升入太空。这些曲面镜将在那里拼接成一块大反射镜，构成有史以来人类发射过的、最具雄心的空间天文台的核心部件。

韦伯空间望远镜经常被描述成哈勃望远镜的继任者，韦伯的科学仪器对红外辐射灵敏，而哈勃上的设备主要观测可见光。韦伯望远镜也不会像啥勃空间望远镜那样直接绕地球旋转，而是在距离地球大约150万千米外的空间盘旋，以便更好地避开地球发出的热辐射。韦伯空间望远镜还将完成一系列高难度的“花式”机动飞行。计划是韦伯空间望远镜首先会被“打包”以便塞进运载火箭的货舱，而一旦升空，它将像破茧而出的蝴蝶展开翅膀那样把自己展开。任何一处发生故障，这台望远镜就可能无法运行。但是，要在茫茫深空中把侣块铍制反射镜拼接成一大块平滑如一的镜面，这让光学技师承受到了前所未有的压力。

工艺精益求精

美国廷斯利公司的工程师承接了这项艰巨的任务。在韦伯望远镜研制初期，天文学家一度认为，镜片应该用超低膨胀率的玻璃来制作。这种玻璃在温度变化时能够维持自身的形状。然而，当光学技师制作了几块测试镜片，把它们置于望远镜将要经历的严寒环境中检测时，这种玻璃发生了某种形式的弯曲，可能导致望远镜完全报废。实验发现，铍在这样的环境中表现僵硬，效果反倒不错。

不过，用料上的这一改变使镜片的制造进度又拖慢了一年，因为铍需要花更长的时间来抛光。制作一块铍镜，又不能在其中留下任何应力，这是极其困难的。对铍表面的切削和雕琢会让余留下来的金属向上弯曲。制作团队必须除掉这层产生应力的金属，方法有两种：要么用酸把它慢慢地腐蚀掉，要么用某种锋利的工具把它刮掉。这是一道既乏味冗长、又劳心费力的工序。

一块块铍镜片被安放在计算机控制的一台抛光机上。一个形状类似于手风琴的黑色风箱发出阵阵声音，轻柔地推动着一个机械臂在镜面上来回移动。机械臂的前端装有一个飞盘大小的抛光头。计算机发出指令，决定着旋转的抛光头在每一个位置工作的时长，以便精确地磨去特定数量的铍。

光学技师在廷斯利的计量实验室测量这些镜片的镜面精度。计量实验室是一个完全封闭的空间，内部的温度和气流都受到严格控制。技师们使用全息图、红外激光和其他工具，精确测量镜面上几十万个点的高度。一块镜片要在抛光机和计量实验室之间辗转几十次，形状和光洁度才能符合要求。

接下来，每块镜片都要被空运到航天科技公司。在那里，工程师会将它连接在石墨制成的飞行载具上。再把飞行载具固定在六边形镜片背面的网格状龙骨上，把镜片安置到望远镜的正确部位。接下来，它将被运往航天中心，在真空室中用液氦冷却到25K（开氏温标），并加以检测。在这样的环境下，金属会发生细微的弯曲形变，都会被光学技师详细记录在案。然后，这块镜片会重新回到加利福尼亚，廷斯利公司会在光学技师记录数据的指导下，对它进行轻微抛光，以消除铍进入寒冷（-157℃）的太空环境之后可能发生任何形式的弯曲。

汲取前辈经验

廷斯利的工程师在磨制镜片时，让他们不敢大意始终铭刻在心的是，哈勃空间望远镜犯过的一个令人大跌眼镜的错误：由于工程师看漏了一个测量误差，哈勃的主镜被磨成了错误的形状。直到升空3年后，宇航员搭乘航天飞机为哈勃望远镜安装了矫正镜，这个错误才得到纠正。哈勃望远镜的活动位置是离地表600千米的低轨道上，所以可以亡羊补牢，而韦伯望远镜的工作位置要远得多，它距离地球150万千米。如此远的距离，要派航天飞机进行维修简直太远了。因此在设计之初，就没有考虑要派人进行维修的因素。

为了吸取哈勃的经验教训，美国国家航空航天局招募了曾经帮助修复哈勃的工程师，请他们为新望远镜工作。当年，为了诊断哈勃的畸形主镜，工程师开发出一种技术，通过研究哈勃模糊的成像来推断主镜的形状。如今，韦伯望远镜将采用同样的技术来保持聚焦的准确。在移动这台望远镜指向天空中不同位置的时候，必然会产生热梯度，导致望远镜轻微变形，不过与其他空间天文台不同的是，韦伯望远镜将采用主动式可调节镜面来抵消这些变形。

首先，望远镜上一些设备中的小透镜会形成一些对焦不实的图像，就像曾经困扰过哈勃的模糊图像一样。对这些照片进行分析后，控制中心会发送无线电指令，激活每块镜片背后的7个微型马达。每个马达都能独自推拉镜面，使它发生不超过10纳米的位移。这让天文学家有能力控制每一块镜片的曲率，还有它与相邻镜片的相对位置。控制中心大约每两个星期就会把这套程序执行一遍，校准主镜的形状。

当然，韦伯望远镜必须一开始就让自己正确地展开。确切地说，各携带3块镜片折叠起来收在两侧的两瓣“叶片”，必须正确打开以拼接出完整的主镜。一块75厘米宽的副镜也必须固定就位，凭借3根细长的支架悬于主镜上方7米处，把光反射回主镜中心，让那里的科学仪器记录观测数据。

不过，最让天文学家忧心的不是打开主镜，而是张开宽11米、长19米排球场大小的巨型遮阳板。如果遮阳板不能正常工作，太阳发出的热量就会让韦伯望远镜变成瞎子。因为韦伯是靠观察目标星体发出微弱的红外线获得信息的，所以望远镜必须处于极冷的环境工作。如果它被太阳光或地球热量加热，则望远镜本身产生的红外线将会淹没目标红外线，看不见天文学家希望它看见的大多数目标。韦伯空间望远镜将在完成消除大部分“变形”之后，抵达它位于太阳系内的目的地——距离地球150万千米，处在茫茫深空中的一个引力平衡点。这一位置在第二拉格朗日点附近，由于所处位置的引力相对稳定，因此对于邻近的天体来说位置相对固定，无需频繁地修正位置，观测更加稳定，且不受地球轨道附近灰尘的影响。

在韦伯望远镜的背后，总共有20个国家都作出过很大的贡献，包括美國、意大利、荷兰、挪威、捷克、瑞典和英国等。2018年，这个重大的时刻即将到来。计划用于发射韦伯望远镜的是“阿利亚娜-5”运载火箭，它是个质量高达777吨的巨物，总体高度为52米，相当于17层楼高。该型火箭拥有强大的运载能力，将韦伯望远镜发射升空应该毫无问题。在发射6个月后，韦伯望远镜将正式投入运营，这无疑将是人类寻求宇宙奥秘的又一重大步骤。

（责任编辑：曹伟 责任校对：司明婧）endprint