韋布空間望遠(yuǎn)鏡即將入軌

文／趙金亮

1月25日左右，史上最強的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）將抵達(dá)日地拉格朗日點L2附近，距離地球大約150萬公里。關(guān)注天文的讀者可能比較熟悉，初次聽說的讀者可能一頭霧水，讓我們先來了解一下詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡。

北京時間2021年12月25日晚8點20分，巨大的亞利安5號火箭從法屬圭亞那的歐洲空間局航天發(fā)射中心升空，上面搭載著詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡，它的口徑達(dá)到6.5米，由18個六邊形的凹面鏡組成。

我們來了解一下韋布空間望遠(yuǎn)鏡的運行軌道，與大多數(shù)人造天體圍繞地球運行不同，它的運行軌道被稱為暈輪軌道，軌道以日地拉格朗日點L2為中心，作馬鞍型周期運動。簡單來說，太陽對韋布的萬有引力，地球?qū)f布的萬有引力，韋布自身的離心慣性力三者合力為零，使得韋布與太陽、地球保持相對位置不變。是不是很暈，因此有人戲稱它為暈軌道。

20世紀(jì)初期，天文學(xué)家觀測到木星公轉(zhuǎn)軌道上超前60度位置有小行星與木星同步運行，之后在落后60度處也發(fā)現(xiàn)了類似情況，恰好與日木拉格朗日點L4和L5重合，稱為特洛伊小行星群（Trojan asteroids），這一天文發(fā)現(xiàn)驗證了拉格朗日點計算的正確性。

提到空間望遠(yuǎn)鏡，讀者聽過的可能是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。然而早在哈勃發(fā)射之前就召開了一場“哈勃繼任者”的研討會，會上科學(xué)家們提出了許多設(shè)想，擁有更大的主鏡，強大的紅外觀測能力，當(dāng)時被稱為下一代太空望遠(yuǎn)鏡，而它正是韋布的雛形。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡由美國宇航局、歐洲空間局和加拿大宇航局聯(lián)合發(fā)起，前后經(jīng)歷了長達(dá)25年的研制和各種延誤，預(yù)算不斷追加，最終耗資達(dá)到了100億美元，也被大家戲稱為“鴿王”。然而，韋布的部署使天文學(xué)家對恒星演化和系外行星將有更深入的了解，甚至徹底改變?nèi)祟悓τ钪娴恼J(rèn)知，科學(xué)家為它取名詹姆斯·韋布，也是希望它像阿波羅登月項目一樣，為人類帶來新的科學(xué)突破。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡的身上有許多首次應(yīng)用的新技術(shù)，輕量化的主鏡、可以展開的遮陽薄膜、折疊鏡片等。倘若韋布采用和哈勃一樣的鏡片材質(zhì)，那么它就會嚴(yán)重超重，因此采用新材料設(shè)計制造主鏡實現(xiàn)輕量化成為必須跨過的工程難題。為此工程師選擇了用鈹制成鏡片，同時表面鍍金來提高對紅外光的反射率，如此設(shè)計使得每一塊分體鏡片只有20千克，同時擁有良好的低溫結(jié)構(gòu)強度，并且滿足望遠(yuǎn)鏡光學(xué)要求，為了將主鏡放入火箭的整流罩，科學(xué)家還采用了折疊式設(shè)計。

韋布擁有6.5米直徑的主鏡，帶來的好處是顯而易見的。它的分辨率將大幅提升，哈勃在微米波段的分辨率約為0.1角秒，韋布在相同波段的分辨率將達(dá)到0.04角秒。另一個重要特點就是它的工作波段從600納米可以延展到28.3微米，宇宙中的天體普遍都在遠(yuǎn)離我們，天體發(fā)出電磁輻射的波長會變長，也就是“紅移”現(xiàn)象，對于一些非常遙遠(yuǎn)的星系，其可見光波段的輻射會移動到紅外波段，韋布所搭載的紅外光譜儀，可以觀測到宇宙誕生早期的景象。超強的紅外探測能力加之超高的分辨率，使其在行星探測和行星大氣成分研究中具有獨特的優(yōu)勢。

從發(fā)射到現(xiàn)在，韋布在太空中完成了數(shù)千個預(yù)定動作才得以展開，任何失誤都可能導(dǎo)致整個項目失敗。與火箭分離之后，韋布首先需要做的是展開太陽帆板和對準(zhǔn)通信天線，隨后展開五層遮陽膜，最后展開主鏡和副鏡，中間還需要完成數(shù)次軌道修正。

目前，韋布終于完全展開，向著既定軌道飛速前進，接下來它將繼續(xù)冷卻，讓背對太陽的一側(cè)冷卻到零下230攝氏度左右，同時還需要進行一系列科學(xué)設(shè)備的開機測試和校準(zhǔn)工作，因此大約5個月后才能開始科學(xué)觀測。讀者朋友們靜靜期待韋布傳回的太空美景吧。