针尖上做道场，150万公里外遥控操作10纳米！

科普中国-科普融合创作 2016-11-04

　　出品：科普中国

　　制作：许仁华

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　针尖上做道场，150万公里外遥控操作10纳米！

　　话说，詹姆斯·韦伯望远镜的预算从10亿美元，一路攀升到接近90亿美元，很多人纳闷，这到底是个什么奇葩望远镜，为何这么花钱无数？

　　在深空撑一把大遮阳伞

　　红外夜视仪，是根据夜间物体发出热量的不同，从而进行探视的。而韦伯望远镜主打红外探测，要想看到遥远过去的宇宙图像，必须严格避免周围热源的干扰。正如你很难在大白天看到萤火虫和星星一样。

　　红外线望远镜对热极为敏感，所以韦伯望远镜必须搭建一个遮阳伞，以遮蔽来自太阳、地球，甚至月球的热量。

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　　根据设计，这把遮阳伞将有一个网球场那么大，且有五层。如此做的目的是必须让望远镜及其所搭载的仪器冷却到它们零下233℃的工作温度。在如此低的温度下要让所有仪器工作正常绝非易事，但这远非此工程中最难的事。

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　　图为首批完成镀膜工艺的6片镜面，图片现场为，镜片正在马歇尔空间飞行中心准备接受超低温性能测试。

　　传奇般的镜片

　　反射式望远镜，当然是反射的光越多，性能越强大。哈勃望远镜的镜片直径2.4米，这是那个时代的技术极限。而韦伯望远镜的镜片原计划是8米，后因经费问题，减到6.5米。就算这样，哈勃在它面前依然还是相形见拙。

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　　图为哈勃（左）与韦伯主镜片（右）的大小比较。

　　要把直径6.5米的镜片塞入火箭并运到深空是一件无法完成的事。所以，设计人员把大镜片分成18块子镜片，折叠起来，塞入火箭，到达目的地后再像变形金刚一样展开。

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　　18个子镜面组成一个统一的主镜面，这需要它们的排列精度误差小于人类头发直径的万分之一，说它是在针尖上做道场一点也不为过。韦伯望远镜若全被伸展开，将有一架波音737客机那样大小，万一什么地方卡壳而展不开或者展开的误差太大呢？那，这将是一场灾难。想象一下，那可是150万千米的深空，你很难载人去帮它一把。嫦娥二号卫星从月球出发到第二拉格朗日点，途中还飞行了77天。所以，这是一次只许成功，不许失败的大工程，也可以说是大赌博，赌资接近90亿美元。

　　镜片的磨制划的早期，天文学家曾打算用超低膨胀玻璃。但当把试验镜片冷却到零下233℃时，玻璃发生的弯曲足以使望远镜完全失效。最后，镜片的材料选择了铍。

　　然而，“要制作没有残余应力的铍金属镜片是极为困难的，”光学工程师Bob Brown说，“切割金属的表面会使剩余的金属部分有向上弯曲的趋势。”

　　另外，抛光六边形的镜片也非易事，直到距离边缘5毫米处都是要抛光的，如此高难度的抛光是第一次。若未经抛光边缘的宽度增加一倍（10毫米），那将使望远镜的反射光量减少1.5%，对于如此浩大的这个工程来说，绝对是一个重大的损失。

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　　图为工程师们正在进行仔细的镜面检查，就是一粒灰尘也不放过。

　　抛光后还需经过重重检测，为了检测镜片的表面平滑度，实验室是完全封闭的，连温度和空气流动都在严格的控制之下。技术人员使用衍射图、红外线激光器以及其他工具测量镜片表面几十万个点的高度。一块子镜片可能要在抛光设备和测量实验室间往返几十次后，才能使它的形状和平滑度达到NASA的要求。

　　给镜片镀一层金

　　纯铍在近红外波段的反射性并非最理想的，因此每块分镜面都必须镀上大约3.4克的黄金。

　　从2010年6月开始，NASA的工程师们开始为每一块子镜片进行涂层处理工作，镜片表面的黄金涂层厚度是120纳米，而120纳米比一个人的头发还要细200倍。负责这项工作的伊恩史蒂文森说：在对韦伯望远镜黄金涂层处理时，我们面临着许多技术挑战，这些涂料并不是简单制作而成，而是量子涂料，有着非常复杂的制作工序。

　　科学家将黄金涂料加热到1371摄氏度，使黄金涂料由固态变成液态，并蒸发到铍制镜片上，完成涂层。

　　直到2011年9月，NASA才完成这18块子镜片的黄金涂层工作。同年12月，完成了所有镜片的冷冻试验。

　　远程控制镜面

　　哈勃升空后曾经存在一处光学缺陷，为了这个缺陷，宇航员在哈勃发射3年后乘坐航天飞机去为它安装了一个光学校正镜，这才挽救了它。而韦伯望远镜不可能有如此奢侈的补救机会。