为了回望宇宙的诞生并看到第一批恒星的星光,你必须磨出一个房子大小的镜子

科技 2个月前 admin
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@游识猷:看到韦布望远镜公布的第一张彩色照片,想起 Quanta 杂志的 Natalie Wolchover 写的韦布望远镜。

那篇科学报道获得了 2022 年普利策奖的释义性报道奖,值得一读 ——

为了回望宇宙的诞生并看到第一批恒星的星光,你必须磨出一个房子大小的镜子

「要想回望宇宙的诞生,看见第一群恒星的星光,你必须先磨出一面和房屋一般大的镜子。它的表面必须光滑到如此的地步 —— 如果镜子被放大到一整个大陆那么大,它的上面不会有超出脚踝高度的山峰或低谷。只有这么大这么平的镜子,才能收集并聚焦来自天空中最遥远星系的微弱光线……

即使有了这么特殊的镜子,依然远远不够。

没有人曾见过星系形成之时的样子,原因是几十亿年来,那些古老的星光穿越了不断膨胀的宇宙空间后,已经被大大拉长了。那些最遥远的恒星发出的紫外线和可见光到达这里时,波长被延伸了大约 20 倍,成了红外线。但红外线同样是原子振动时发出的光 —— 我们称之为 “热”。同样的红外线从我们的身体、大气和脚下的地面辐射出来。这些本地的热源,彻底淹没了远古恒星弱小的光芒。因此,要观测到那些远古恒星,望远镜的大镜子必须非常冷。它必须被发射到太空。

问题又来了。没有火箭能装下一面有房子那么大的镜子。于是,镜子必须被折叠起来。

为了被折叠,镜子首先必须被分割成由多个镜片组成的蜂窝阵列。

为了共同聚焦产生清晰的图像,镜片们在太空中展开后,必须排列到近乎完美的地步,这就需要精度极高的电机。这些电机能轻轻推动镜片,移动的距离可以精确到仅仅是病毒宽度的一半,以保证所有镜片安装到位。」

「Ball 航空航天公司提供的制动器能以 10 纳米的精度推动镜面,这个宽度仅为头发的万分之一。这些电机的工作原理是 “弯曲”,即 “将大的运动转化为小的运动”。」

「整个韦布望远镜的重量,只有一个大型地面望远镜重量的 2% 左右。」

「镜子由铍制成,这种材料轻、结实、坚硬,呈粉末状,有毒,是一种令人头疼的东西,但也是唯一可行的东西。铍粉在俄亥俄州被压成块,然后在阿拉巴马州被切割。镜片上再覆一层黄金,因为黄金能极好地反射红外线。最后,加利福尼亚一家专门为这个项目而建造的工厂为镜面抛光。」

但这样依然还不够。

「即使被发射到到外太空,地球、月球和太阳仍然会向望远镜辐射出太多的热量,使它无法感知宇宙中最遥远结构的微弱闪烁。

除非,望远镜去到一个特定的点 —— 第二拉格朗日点。在那个点,月球、地球和太阳都位于同一个方向,架设起一个网球场大小的巨幅遮阳罩,望远镜就可以同时挡住这三个天体。通过这样的方式,望远镜终于可以进入极度深寒的状态(-223℃),从而探测到宇宙黎明时的微弱热量。

遮阳罩既是红外望远镜的唯一希望,也是它的致命弱点。

展开时又要足够大,重量又不能超出火箭的承重,遮阳罩只能由薄织物组成。工程师们心知,薄织物是 “不确定的”,它的运动不可能被完全控制或预测。如果遮阳罩在展开时被钩破,整个望远镜就会变成一坨太空垃圾。」

「遮阳罩的材料,研究小组选了 Kapton,这是一种光滑的银色塑料,看起来很像薯片袋的内层,厚度只有人类头发的直径。Kapton 的撕裂风险不低,因此需要很多层作为冗余ーー研究小组决定安装五层。一个由吊臂、电缆和细绳所组成的系统,将把这五层遮阳罩都充分展开,分离并系紧。」

首席工程师迈克尔?门泽尔 (Michael Menzel) 形容这件事有多难,「如果是刚性的东西,比如一扇门,你安上一条铰链,就可以预测它的运动方式。小菜一碟。但现在给你的是一条软的毯子。在床上推一条毯子,然后试着预测它会变成什么形状?太可怕了。同样的事情也发生在绳子上 —— 每一根拉紧遮阳罩的绳子,可以有一百万种不同的运动方式。更糟的是,在零重力状态下,这些东西可以跑到你不希望它去的地方。」

「大约在 2004 年,2 位 NASA 工程师来到门泽尔的办公室,说他们有办法。其中一人拿起门泽尔桌上的一张纸,把它折成 Z 字形。遮阳罩可以折叠成许多这样的 Z 字形,也就是 “手风琴式折叠”。门泽尔觉得这个办法行得通 。

下一个问题是,如何保持遮阳罩处于手风琴折叠状态,直到做好准备时再展开。另一位工程师安迪找到了解决办法:107 根固定针,可以像猫的爪子一样缩回。

固定针又带来了另一个棘手的问题:针会造成针孔。如果在展开后,所有五层 Kapton 上的针孔恰好排成一条直线,就会让阳光通过,加热望远镜的光学器件。

门泽尔说:“这是个之前根本想不到的小细节,直到你开始做了才发现,天啊,五个针孔有可能排成一列,这事听起来不大,但把安迪搞到借酒浇愁。谢天谢地,他后来想通了。” 安迪勤勤恳恳测试了许久,终于找出了一种方案,使得五层大小各异的 Kapton 遮阳罩不论怎么展开,上面的针孔都不会排成直线。」

……

一个又一个小难题,不断出现。结果是,韦布望远镜比原计划迟了 14 年,预算超了 20 倍。

在发射之前,所有参与这项工作的人依然提心吊胆。

因为韦布望远镜是一锤子买卖。

当年哈勃望远镜在低地球轨道上,离我们也就 559 千米,望远镜 “近视” 了,宇航员手里拿个扳手就飞上天去修了。

但是韦布望远镜离我们 150 万千米。出了任何问题,科学家和工程师们只能抱头痛哭,别无他法。

这个项目的首席科学家,诺奖得主、天体物理学家约翰?马瑟( John Mather)说,「我们已经尽力去发现所有的错误,进行测试和演习,此刻,我们将把价值数十亿美元的望远镜放在一堆爆炸物上。」

在成功发射之后,望远镜还要花一个月,以抵达第二拉格朗日点。在此途中,它还要花数百个步骤去把自己的镜子一点点展开,遮阳罩一点点展开,直到巨大的镀金镜子 “花朵”,盛放在一片更为巨大的遮阳罩 “银叶” 上。

此刻,韦布望远镜静静漂浮在黑暗寒冷的太空中,它背后是太阳、月亮、和所有人类生活的暗淡蓝点。它未来带回的信息,将推进甚至颠覆人类对宇宙的理解。

以上,就是那张彩色照片背后的一小部分故事。

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