□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

拼接巨鏡—走近韋布空間望遠鏡

□ 文 何銳思（Richard de Grijs）/ 翻譯 程思淼

圖1 藝術(shù)家繪制的軌道上的韋布空間望遠鏡概念圖。（圖片來源： NASA）

今年一月的第一個星期，我作為《天體物理通信》雜志的代理編輯，去華盛頓參加了美國天文學(xué)會（AAS）的冬季會議，還有幸參觀了美國宇航局（NASA）設(shè)在馬里蘭州格林貝爾德市（Greenbelt,Maryland）附近的戈達德航天中心（Goddard Space Flight Center）。科學(xué)家和工程師們正在那里忙碌，為未來十年里最重要的空間天文臺——韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）的最后裝配做著準(zhǔn)備。今年夏天，望遠鏡將開始組裝；按照計劃，它將于2018年發(fā)射升空。

當(dāng)我參觀裝配大廳時，不久后將拼接成主鏡的18塊子鏡也正好剛剛運抵。我們來到大廳高處的走廊，從這里向下看，就是科學(xué)家和工程師們裝配韋布空間望遠鏡的核心地點——無塵間。即使是有資格進入這里的工作人員，也要先在風(fēng)淋室中清潔，并穿上隔離服、戴上手套才行?！斑M入無塵間就像進入手術(shù)室?！表f布空間望遠鏡項目的一名系統(tǒng)工程師雷伊·倫德奎斯特（Ray Lundquist）說。他解釋說，反射鏡面的潔凈將保證望遠鏡成像的高質(zhì)量。

這些反射鏡在我參觀的時候仍然封裝在運輸用的密封容器中。鏡片要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)運，容器是為此專門設(shè)計的?！斑@些鏡片終于在戈達德集中起來，是一個令人振奮的里程碑。這是十多年來，無數(shù)工程師、技師和科學(xué)家在先進的光學(xué)制造和測試中專注工作的結(jié)晶。”NASA韋布空間望遠鏡執(zhí)行主任埃里克·史密斯（Eric Smith）說。“這些鏡片已經(jīng)準(zhǔn)備好裝上結(jié)構(gòu)支架了。這些支架無比穩(wěn)固，在它們的支撐下，這些鏡片將拼合成韋布空間望遠鏡6.5米口徑主鏡——這是迄今建造的最大的空間望遠鏡?！?/p>

何銳思（Richard de Grijs）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）教授，國際天文學(xué)聯(lián)合會天文發(fā)展辦公室東亞分站負(fù)責(zé)人。

圖2 戈達德航天中心內(nèi)裝配韋布空間望遠鏡的無塵間。（圖片來源：Richard de Grijs）

圖3 最后三只密封箱運抵戈達德中心。（圖片來源：Ball Aerospace）

如果只是一面普通的反射鏡，似乎沒有什么值得說的。但在我們眼前的是要隨著韋布空間望遠鏡進入太空的反射鏡，它的結(jié)構(gòu)可是值得說說的。韋布空間望遠鏡由主鏡、第二反射鏡和第三反射鏡組成。較小的第二和第三反射鏡都非常特別，不過由多面子鏡拼接而成的最大的主鏡的結(jié)構(gòu)才是最為復(fù)雜的——只有各個部分相互配合，望遠鏡才能正常工作。

任何望遠鏡的最基本的“工作能力”都是由主要光學(xué)鏡片的大小決定的。主鏡越大，“工作能力”越強。對于這類大型望遠鏡來說，主鏡就是一面反射鏡。即使就陸基天文臺的標(biāo)準(zhǔn)來說，“韋布”主鏡的口徑也是夠大的；而放到空間望遠鏡“隊伍”中，它更是大得驚人了?？趶饺绱舜蟮耐h鏡放到太空中（因此能夠避開地球大氣的擾動），將能捕捉到宇宙中最遙遠的星系和恒星發(fā)出的光。但是，要將這樣一整塊鏡片發(fā)射到太空中，也實在是太過巨大了。因此，需要將“韋布”的主鏡分割成18塊小得多、也輕得多的子鏡，它們要能夠折疊裝進火箭頭部的錐形貨艙里。這18塊六角形主鏡拼接子鏡中的每一塊直徑都只有1.3米，約40千克重。這些子鏡并不“只是鏡子而已”，它們每一個都是復(fù)雜技術(shù)的集合，這些技術(shù)使它們的“行動”配合緊密，就像一塊主鏡一樣。每個子鏡都有自己的“分解”結(jié)構(gòu)，從鍍金反射膜的鈹制鏡片，到其下的鈹制支撐結(jié)構(gòu)“支撐板”（whiffles）、“三角框架”（Delta frame），加上給鏡面精確定位和塑形的電機——整個結(jié)構(gòu)都安裝在一塊“背板”上。

“子鏡的組裝十分復(fù)雜。按照設(shè)計，它們十分輕巧，要能在-240°C的極端低溫下工作，還要能夠忍受發(fā)射時劇烈的振動和壓力。到達軌道并展開后，18塊子鏡將依靠電機排列好，并保持這個狀態(tài)兩個星期。排列好的鏡片要能像一整塊反射鏡一樣工作?！盢ASA戈達德中心韋布空間望遠鏡光學(xué)元件負(fù)責(zé)人李·費因伯（Lee Feinberg）說。

圖4 分裝于18個密封箱中的子鏡。（圖片來源：Ball Aerospace）

反射子鏡的基底材料是金屬鈹。每塊鈹制基底大約5厘米厚，“正面”即反射面經(jīng)過高精度拋光，十分光滑；“背面”則制成精確的三角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，以減輕重量。反射面的平均拋光精度達到20納米，并在表面鍍了一層超薄純金反射膜，以提高在紅外波段的反射率。選用金屬鈹為材料，是因為它質(zhì)地堅硬，重量又輕，而且在韋布空間望遠鏡工作的極度低溫下表現(xiàn)穩(wěn)定、可控。

在每塊鈹制基底的另一面，連接著三塊三角形的鈹制支撐板。它們好像“蜂窩”的蓋子。每塊支撐板約30厘米寬、60厘米長。它們把支架的集中負(fù)荷分散到鏡片背面較大的面積上，以減小鏡片的變形。在這里，鈹同樣憑借強度高、重量輕，以及在極端低溫下能夠保持形狀的優(yōu)良性能而成為了制造支撐板的材料。鈹制的“三角框架”是18塊子鏡上重要的中介結(jié)構(gòu)，它們把反射鏡片和支撐板連接到電機上。電機由高精度馬達和傳動齒輪組成，用于移動鏡片和使鏡片基底的反射面變形。在電機的驅(qū)動下，18塊拼接子鏡將對齊到合適的位置，以對同一天體進行聚焦。

每塊子鏡上有六個電機是用于移動和旋轉(zhuǎn)鏡片的，18塊子鏡因此能夠排列成一整塊巨型反射鏡的樣子。另外，每塊子鏡上還有一個特殊的“壓力”電機，它直接固定在鏡片背面中央，并通過六條細(xì)長的鈹制支桿與鏡片邊緣相連。壓力電機通過向桿和鏡片施壓，使18塊子鏡能夠具有幾乎相同的“曲率中心”，這樣它們才能聚焦在同一點，做到真正意義上的像一塊鏡面一樣工作。

看到了這些精巧方便的工程發(fā)明，我不禁想起南非大型望遠鏡（SALT）的拼接子鏡來。那是一架位于南非薩瑟蘭天文臺的10米口徑望遠鏡。幾年前，我曾獲得附近一架望遠鏡的觀測時間，便順道去拜訪了在SALT工作的同事，并在那里共進晚餐。席間，一名SALT技師告訴我說，他正在調(diào)整大望遠鏡的全部91塊子鏡，以優(yōu)化望遠鏡的表現(xiàn)。為了調(diào)整SALT，他必須躺到主鏡下面去；他要一一確認(rèn)每塊子鏡的6個電機都處在正確的位置上……讀者可以想象一下，這樣的工作需要花掉他多少時間——而他一直要保持這種難受的姿勢！

圖5 單塊子鏡示意圖（模型）。

韋布空間望遠鏡鏡片上的電機就不一樣了。它也是這架望遠鏡設(shè)計中的新發(fā)明之一。它們完全是電動的，能完成完美的光學(xué)表現(xiàn)所需的納米級微小移動。要對這樣微小的移動有個概念，我們不妨考慮下一張紙的厚度：那大約是100000納米。不僅如此，這些電機還必須能夠在大量重復(fù)工作中表現(xiàn)出極高的可靠性，而且是在極端低溫的環(huán)境中——僅比絕對零度高出十度！這也帶來了大量的工程學(xué)難題，因為人們此前從未遇到過這樣的環(huán)境。飛船上的電子設(shè)備通常要保證一定的溫度才能工作，一般是在-15°C到55°C之間。但是，韋布空間望遠鏡的電子設(shè)備與望遠鏡鏡片是連接在一起的，因此必須與鏡片在同樣的溫度下工作。

圖6 南非大望遠鏡（SALT）是由91塊六角形子鏡組成的拼接主鏡?？梢郧宄吹狡唇又麋R背后復(fù)雜的蜂窩狀支撐結(jié)構(gòu)。（圖片來源：Richard de Grijs）

圖7 藝術(shù)家繪制的韋布空間望遠鏡。（圖片來源：NASA，Northrop Grumman）

全部132個電機需要大量的電線，其中有的用于供電，有的用于傳遞電子控制元件發(fā)出的信號。為了滿足這些復(fù)雜的需要，鮑爾航空航天技術(shù)公司——NASA在光學(xué)技術(shù)和輕質(zhì)鏡面系統(tǒng)方面的主要承包商——尋找、測試并鑒定了已有的在30K（-243°C）低溫和輻射環(huán)境下工作的各種零件，以研制出一種包含22個低溫太空飛行電子元件盒的電路結(jié)構(gòu)。每個電子元件盒要能在30K到室溫之間的溫度范圍內(nèi)工作，每次會從較熱的控制元件發(fā)出一個信號到一個電機上。要完成這個關(guān)鍵的技術(shù)，還需要知道如何合理設(shè)計電路以減少電線數(shù)量（即減輕重量，這是在一切航天發(fā)射中都非常重要的問題！）以及盡量避免較熱的控制元件將熱量傳到望遠鏡上較冷的地方。鮑爾航天總裁羅伯特·斯特雷恩（Robert Strain）表示：“要真正實現(xiàn)望遠鏡光學(xué)設(shè)計所要求的東西，我們需要大量的團隊合作。我們期待著最終結(jié)果。在這場挑戰(zhàn)中，我們看到，揭示宇宙秘密需要地球上困難而驚人的工程技術(shù)?！?/p>

當(dāng)韋布空間望遠鏡在太空中展開反射鏡面，并冷卻到工作溫度后，地面上的工程師將發(fā)出命令開動全部電機以對齊所有子鏡，這個過程大約需要兩個月時間。接著，當(dāng)“韋布”徹底投入工作，開始科學(xué)觀測后，鏡面的校準(zhǔn)將每隔10到14天進行一次。憑借這項新技術(shù)，“韋布”將成為第一架在太空中工作的主動控制拼接主鏡望遠鏡。

圖8 在進入NASA馬歇爾航天中心的X射線-低溫設(shè)備之前，鮑爾航天的首席光學(xué)測試工程師戴夫·查尼（Dave Chaney）在檢查第一塊鍍金子鏡。（圖片來源：NASA/MSFC/ David Higginbotham）

圖9 韋布空間望遠鏡第一組六塊拼接子鏡組裝完成，準(zhǔn)備在NASA馬歇爾航天中心（Marshall Space Flight Center，位于美國亞拉巴馬州亨茨維爾市）進行最后的低溫測試。（圖片來源： NASA/Chris Gunn）

韋布空間望遠鏡將接替預(yù)計于2020年退役的哈勃空間望遠鏡。它將在日地延長線上、近4倍地月距離處的第二拉格朗日點（L2）與地球同步繞日公轉(zhuǎn)，收集有關(guān)宇宙起源的信息。（地-月-日系統(tǒng)及L2點的位置圖示可參見作者在2011年11月《天文愛好者》上的文章。）為了觀測更遠的天體，望遠鏡的口徑要做得很大?！拔覀冃枰患苤麋R直徑比最大的火箭還要大的望遠鏡?！表f布空間望遠鏡項目科學(xué)家馬修·格林豪斯（Matthew Greenhouse）說。韋布空間望遠鏡的預(yù)計工作壽命為5到10年，但“韋布”技術(shù)項目代理負(fù)責(zé)人保羅·蓋特納（Paul Geithner）表示，它“比哈勃望遠鏡的威力強大100倍。它會將‘哈勃’所遺漏的收入囊中?！?/p>

繞地球運行的哈勃空間望遠鏡大小約相當(dāng)于一輛公共汽車，而韋布空間望遠鏡將是一架波音737客機的尺寸?！肮钡闹麋R口徑為2.4米，比“韋布”的小，視場也比“韋布”小得多。借助這些自動的鏡片，“韋布”將對我們宇宙歷史的每一個階段——從大爆炸后的第一束光和早期星系形成，到產(chǎn)生能夠支持生命的恒星-行星系統(tǒng)，再到我們自己太陽系的演化——進行研究。

“韋布”的主鏡大約共有705千克，在運載火箭中必須要折疊起來才能放下。在發(fā)射后六個月的時間里，它將一直處于“調(diào)試階段”，并在一星期之內(nèi)展開、對齊拼接子鏡。同時在“哈勃”工作過的NASA系統(tǒng)工程師邁克·門澤耳（Mike Menzel）表示，六個月調(diào)試期過后，望遠鏡將交給全世界提交了科學(xué)研究申請的天文學(xué)家進行觀測。無疑，這是我們很多人都在熱切期待著的！

韋布空間望遠鏡將于歐洲空間局設(shè)在南美洲法屬圭亞那的庫魯（Kourou）發(fā)射中心發(fā)射升空。在制造即將完成的最后一年里，“韋布”將被運送到NASA位于德克薩斯州休斯敦的約翰遜航天中心進行最后的測試和診斷。這架嶄新的空間望遠鏡將很有可能改寫天文學(xué)和工程學(xué)的歷史！