The Webb Space Telescope Will Rewrite Cosmic History. If It Works.

Wed, 13 Jul 2022 22:20:09 +0800

《韦伯天文望远镜将会改写宇宙历史，如果它能正常工作的话》

作者：娜塔莉·沃尔乔弗

和菜头整理,谷歌翻译: https://mp.weixin.qq.com/s/YSEmlentq3pwhLsNIfT8Dw

原文地址: https://www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203

回首宇宙的幼年，见证第一颗星星的闪烁，你必须先磨出一面房子那么大的镜子。它的表面必须非常光滑，如果镜子是一个大陆的比例，它的特征就不会超过脚踝高度的山丘或山谷。只有一面如此巨大和光滑的镜子才能收集和聚焦来自天空中最远星系的微弱光线——这些光线很久以前就离开了它的源头，因此显示了宇宙年轻时在远古时代出现的星系。我们所能看到的最微弱、最远的星系仍在诞生的过程中，那时神秘的力量在黑暗中合谋，第一批恒星开始发光。

但要阅读宇宙历史的早期篇章——了解那些第一批恒星的性质，可能是巨大的恒星，了解引力诱使它们形成的不可见物质，磁力和湍流的作用，以及巨大的黑洞成长并进入星系中心——一个特殊的镜子是远远不够的。

之所以没有人看到星系形成的时代，是因为古老的星光在穿过不断膨胀的空间结构到达我们这里数十亿年之后，变得拉长了。天空中最远的恒星喷出的紫外线和可见光在这里的旅程中被拉长到大约 20 倍的波长，变成了红外线辐射。但红外光是一种我们称之为热的原子抖动光，与我们的身体、大气和脚下的地面辐射的热相同。唉，这些局部热源淹没了原始恒星可怜的火焰。要感知这些恒星，带有完美大镜子的望远镜必须非常冷。它必须发射到太空中。

问题是，一个房子大小的镜子太大，无法装进任何火箭整流罩。那么，镜子必须能够折叠起来。一面镜子只有在被分割的情况下才能折叠——如果它不是一个单一的、不间断的表面，而是一个由镜子片段组成的蜂窝状阵列。但为了共同创造清晰的图像，镜段在空间中自主展开后，必须几乎完美对齐。需要极其精确的电机才能实现良好的聚焦——电机可以将每个镜像段微调病毒宽度的一半，直到它们全部到位。

看到微弱红外源的能力不仅能让你进入宇宙的形成篇章——大约是大爆炸后 5000 万到 5 亿年的时期——它还可以揭示宇宙的其他、可以说同样重要的方面，从围绕其他恒星运行的地球大小行星的特性到备受争议的空间扩张速度。但要使望远镜工作，还需要一个额外的元素，除了一面完美无瑕的镜子，它会在被射向天空后自动展开和聚焦。

即使在外太空，地球、月球和太阳仍然使望远镜过热，以至于它无法感知宇宙中最遥远结构的微弱闪烁。除非，也就是说，望远镜指向一个距离地球比月球远四倍的特定点，称为拉格朗日点 2。在那里，月球、地球和太阳都位于同一方向，让望远镜挡住了所有三个天体有一次是架设一个网球场大小的遮阳板。在这样的阴影下，望远镜终于可以进入深寒，终于探测到宇宙黎明微弱的热量。

遮阳板既是红外望远镜的唯一希望，也是它的致命弱点。

为了在不压垮火箭的情况下展开足够大的比例，遮阳罩必须由薄织物组成。（就此而言，整个天文台，包括它的镜子、照相机和其他仪器、它的发射器和它的电源，必须只有典型大型地面望远镜质量的 2% 左右。）轻型红外传感航天器很容易，但不可避免地使用织物使其成为一个固有的风险事件。工程师说，织物是“不确定的”，它的运动无法完美控制或预测。如果遮光罩在展开时被卡住，整个望远镜就会变成太空垃圾。

目前，令人难以置信的是，已经建成的望远镜已经折叠起来，准备放在阿丽亚娜 5 号火箭的顶部。该火箭计划于 12 月 22 日从法属圭亚那的库鲁发射升空，距其有效载荷詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 的首次设想和草图已超过 30 年。该望远镜比计划晚了 14 年，超出预算 20 倍。“我们已经尽了最大的努力去发现我们所有的错误，并进行测试和排练，”诺贝尔奖获得者、NASA 领导的项目的首席科学家约翰·马瑟 (John Mather) 说。现在，他说，“我们将把价值数十亿美元的望远镜放在一堆爆炸材料上”，然后把事情交给命运。

JWST 在过去三十年的发展历程与我们在理解宇宙方面取得的巨大进步并行不悖，尤其是因为韦伯的前辈。通过哈勃太空望远镜，我们了解到恒星、星系和超大质量黑洞在宇宙历史上的存在时间比任何人预期的要早得多，并且自那以后它们发生了根本性的变化。我们已经了解到暗物质和暗能量塑造了宇宙。通过开普勒望远镜和其他望远镜，我们已经看到各种各样的行星像圣诞树上的小玩意一样装饰着星系，仅在我们的银河系中就包括数十亿个潜在的宜居世界。这些发现提出了詹姆斯韦伯太空望远镜可以解决的问题。天文学家还希望，与其他望远镜一样，它的目击将提出新的问题。

这次发射将开始天文学家娜塔莉·巴塔利亚（Natalie Batalha）所说的“六个月如坐针毡”，因为这台极其复杂的望远镜将尝试以数百步展开并聚焦自身。该天文台将花费一个月的时间漂浮 100 万英里到达拉格朗日点 2。在此过程中，它将变成一朵天上的睡莲，将其巨大的镀金镜段花放在更大的银叶上。

“这将是我们自己‘敢于做大事’的时刻，”曾在该望远镜时间分配委员会任职的哈佛大学天体物理学家格兰特·特伦布莱 (Grant Tremblay) 说。“它会做出惊人的事情。我们将在《纽约时报》上谈论这是如何在时间边缘见证恒星的诞生，这是最早的星系之一，这是其他地球的故事。”

“请工作，”Tremblay 补充道，他的眼睛向上飘动。

从光滑到块状

美国宇航局上一次发射如此重要的天文台——哈勃太空望远镜，是在 1990 年——那是一场灾难。“绝对是灾难性的”，资深天文学家桑德拉·法伯告诉我。Faber 所在的团队在马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心露营，以诊断这种疾病。从哈勃的一张照片中的一颗恒星看起来像一个环，她和一位同事推断，主镜 - 将光线反射到副镜，然后将其反射到相机镜头的大凹面镜 - 没有被研磨降低到非常合适的凹度以聚焦光线；它在边缘周围太厚了半个波长。如果主镜和副镜在发射前一起测试过，这种像差就会被注意到，但在急于将拖延已久且超预算的望远镜升空的过程中，这种测试从未发生过。

一些 NASA 领导人呼吁放弃望远镜，这已经是一个有争议的项目。相反，马里兰州参议员芭芭拉·米库尔斯基获得了救援任务的资金。修复它是可能的，因为作为对彩虹颜色而不是红外光敏感的光学望远镜，哈勃可以从仅 340 英里高的低地球轨道获得清晰的视野，而不必走一百万英里远. 1993 年，航天飞机与哈勃对接，宇航员安装了一种隐形眼镜。望远镜将继续彻底改变天文学和宇宙学。

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