韦布望远镜：“令人头秃”的100亿美元制造细节

看到韦布望远镜公布的第一批彩色照片，想起 2022 年普利策奖的释义性报道奖，就颁给了 Quata 杂志的 Natalie Wolchover 写的韦布望远镜。

那篇科学报道值得一读——

“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……

图片来源：nasa.gov

“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。

图片来源：nasa.gov

“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。”

被涂上黄金涂层的镜片。图片来源：nasa.gov

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，望远镜指向一个特定的点——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的微弱热量。

五个拉格朗日点，为了保证观测，望远镜需处在第二拉格朗日点（L2），背对日地系统。图片来源：nasa.gov

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。”

折叠成五层的遮阳罩。图片来源：webbtelescope.org

“大约在 2004 年，两位 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，宇航员直接拎一把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，望远镜还要再用一个月，才能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。

坎坷之路，终抵群星。

图片来源：webbtelescope.org

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。

韦布首张“宇宙深场”照片，迄今为止人类在红外波段拍到的最清晰、最古老的宇宙景象。图片来源：webbtelescope.org

来源：游识猷的自留地

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