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韦布望远镜背后的小故事

常驻编辑 科普中国 2022-07-17 望远镜   针孔   遮阳   镜片   恒星   红外线   宇宙   镜子   工程师   东西

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。mRS拜客生活常识网

那篇科学报道值得一读——mRS拜客生活常识网

「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……mRS拜客生活常识网

即使有了这么特殊的镜子,依然远远不够。mRS拜客生活常识网

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。mRS拜客生活常识网

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。mRS拜客生活常识网

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。mRS拜客生活常识网

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。」mRS拜客生活常识网

「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”。」mRS拜客生活常识网

「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。」mRS拜客生活常识网

「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。」mRS拜客生活常识网

但这样依然还不够。mRS拜客生活常识网

「即使被发射到外太空,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。mRS拜客生活常识网

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。mRS拜客生活常识网

遮阳罩既是红外望远镜的唯一希望,也是它的致命弱点。mRS拜客生活常识网

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。」mRS拜客生活常识网

「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。」mRS拜客生活常识网

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。」mRS拜客生活常识网

「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 。

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