哈勃太空望遠鏡拍攝的原始深場照片是天文學中最具標誌性的圖片之一。這張圖片由數量驚人的遙遠星系組成，星系鑲嵌在黑色的背景之上，它是哈勃在1995年12月對大熊座的一小塊區域進行了一系列觀測之後得到的。受這張經典照片啟發，天文學家們開始計劃一項新任務來研究早期宇宙——這項任務可以看到更早的宇宙，觀測到宇宙大爆炸之後3億年就已經存在的最早的星系。
但要做到這一點，需要一個有史以來最大的望遠鏡，一個比哈勃2.4 m的鏡子大得多的望遠鏡。答案是：下一代太空望遠鏡（Next Generation Space Telescope，NGST），這是一個巨大的太空望遠鏡，擁有6.5m的拼接式主鏡，它有望實現一系列新的發現。
受到NGST潛力的鼓舞，美國天文學家很快在2000年的“十年調查報告”中將其選為天基任務的首要任務——這是美國國家科學院、工程院和醫學研究院編製的未來項目的願望清單。這個望遠鏡計劃於2007年發射，耗資10億美元。2002年，它以美國航天局（NASA）前局長的名字更名為詹姆斯·韋布太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）。然而，那些想用這個新望遠鏡來研究星系演化以及恆星和行星如何形成的夢想，很快就變成了噩夢。該項目的預算急劇上升，以至於美國眾議院在2011年提議將其完全取消，但在科學家、公眾和媒體的聯合拯救下，這個陷入困境的項目在最後一刻得到了挽救。就在2018年，當這個項目成本即將突破80億美元大關時，美國國會不得不投票決定向其提供更多資金。
JWST現在的耗資估計為97億美元，而成本飆升背後的部分原因是建造了一個尺寸巨大的望遠鏡。JWST的拼接式主鏡直徑為6.5 m，將是有史以來送入太空的最大主鏡（圖1）。諾貝爾獎獲得者、宇宙學家John Mather自20世紀90年代中期以來，一直在美國航天局戈達德太空飛行中心領導該項目，他說：“當我們開始的時候，我們知道可以更安全地建造一個小得多的望遠鏡。”然而問題是，較小的望遠鏡不能實現天文學家想要的變革性科學。
圖1 準備發射。一位藝術家對詹姆斯·韋布太空望遠鏡的印象圖
不過，望遠鏡尺寸並不是唯一的苛刻需求。這些早期星系發出的光被宇宙膨脹拉長了，要想觀測到它們，天文學家需要一個能夠探測近紅外和中紅外波長的望遠鏡。要做到這一點，望遠鏡需要放在遠離地球熱輻射的地方，在拉格朗日L2點附近，這一點位於太陽和地球的背後。“另一件事是，要想達到我們需要的紅外靈敏度，望遠鏡必須非常冷，”Mather說，“很快我們就面臨著大量艱巨的技術挑戰。”
二十年的艱難發展已經過去，JWST終於準備就緒。對於天文界的大多數人來說，望遠鏡還需要一段時間才能開始工作。望遠鏡的發射計劃定在2021年12月24日（譯者註：后因24日的天氣問題，韋布望遠鏡於北京時間12月25日晚8點20分成功發射升空）。然而，即使有效載荷搭載阿麗亞娜5號火箭（Ariane 5）從法屬圭亞那的歐洲航天港發射升空了，科學家們也不能集體鬆一口氣。雖然通常發射是太空任務中最危險的部分，但對於JWST而言，情況並非如此。
這是NASA最新也是最昂貴的太空之眼，發射將是它最簡單的部分，接下來的事情才將決定這項任務的成功與否。這是因為，在它將科學和太空技術推向所能實現的極限之前，它必須首先克服危險的深空拆包：6.5 m寬的主鏡必須小心正確地展開，網球場大小的遮陽板也必須一帆風順地展開。整個部署大約需要30天才能完成——如果在300多件可能出錯的事情中，任何一件真的出錯了，那麼望遠鏡的能力都將受到限制。在最壞的情況下，整個望遠鏡將被毀壞，這可能會使該領域倒退數十年。如果它成功了，它將改變天文學的研究——這一切都要歸功於幾項使JWST成為一台獨特而強大望遠鏡的技術奇迹。（譯者註：望遠鏡的遮陽板和鏡面已經成功展開，目前進入校準階段。）
對稱鏡面
在建造JWST的過程中，工程師們面臨的最大挑戰之一是6.5 m的主鏡。建造這樣大小的鏡子本身不是問題，但要把它裝進只有4.57 m寬的阿麗亞娜5號火箭中，又不至於太重而無法發射到太空，這就是一個問題。解決這個特殊問題的任務落在瞭望遠鏡光學部件經理 Lee Feinberg身上。“主鏡的設計非常優雅，” Feinberg說，並解釋道，這種設計的本質在於鏡子是可摺疊的：它由18個六邊形部分組成，兩邊各有三個小鏡面形成了可摺疊的“兩翼”。
JWST還有一個直徑0.74 m的次鏡，外加一個較小的三次鏡，以消除望遠鏡的散光，使焦面變平，為科學儀器的使用做好準備。這三面鏡子共同組成了一種被稱為“離軸三反射光學系統”（off-axis three mirror anastigmat）的結構，可以校正球面、彗差和散光誤差，同時為儀器提供更大的視場。但這些功能本身也造成了發射過程中令人頭疼的問題，Feinberg指出：“真正的困難是，支撐次鏡的吊杆有8 m長，但你還必須把它裝進火箭里，然後是防晒板，而我們不得不把所有的這些都摺疊起來。”
這些鏡子是由一種新型表面鍍金的光學級別的鈹製成，它在望遠鏡工作溫度低至36 K時還能保持穩定。這種被稱為O-30的材料由材料公司Materion專門為JWST製造，優點是質量輕，並且在低溫下具有良好的技術性能等。例如，材料的剛性意味着，當鏡子被放入望遠鏡遮陽板後面的低溫環境中時，它不會產生太大的扭曲變形。Feinberg說，考慮到所有這些因素，以及被認為合理的鈹坯料尺寸，製造一個可以摺疊的六邊形拼接系統是“最好的選擇”。
自20世紀90年代以來，一個類似的六邊形系統已經在夏威夷的兩個10 m凱克望遠鏡（Keck telescopes）上運行，Feinberg承認，他的團隊從凱克的光學設計中學到了很多。和凱克一樣，JWST主鏡上的18個鏡面和次鏡都有機械觸動器來推動鏡面保證聚焦。然而，儘管凱克擁有精密的波前傳感器來保證鏡面不同部分對齊，JWST光學團隊認為，這樣的系統太複雜了，無法在深空自主運行。取而代之的是，望遠鏡將利用它的科學相機。Feinberg 解釋說：“實際上我們將獲得的第一張測試圖像包含18個獨立恆星圖像，這是同一個恆星在這18個獨立鏡面上形成的像，每個鏡面都像一個望遠鏡。”然後，望遠鏡將使用相機和一種專門開發的名為“相位復原”（phase retrieval）的算法來測量波前的形狀，從而調整主鏡的形狀，直到所有18個鏡面聚焦為一個。
望遠鏡鏡面的設計使JWST成為此類技術的典型代表和先驅，正是這些技術讓JWST能夠正常工作。Feinberg說：“總的來說，我們覺得所做的每一件事都沒有現成的方案。我們真的在改變我們做事的方式。”一個典型的例子是：哈勃望遠鏡上2.4 m長的反射鏡實際上是一個巨大的望遠鏡管組件，而JWST的反射鏡是向太空敞開的，保護這些鏡子不受太陽的炎熱照射也是一項艱巨的挑戰。
太陽的因素
由於JWST在紅外波段下運行，來自太陽、地球甚至航天器本身的雜散熱輻射可能會使其視野變得模糊。為了把它們擋在外面，科學家們設計了一種複雜的網球場大小的遮陽板（圖2），這與NASA以前試圖在太空中部署的任何東西都非常不同。遮陽板由5層膜組成，這種名為Kapton的鋁塗層聚合物由於具有極其寬溫度範圍內的穩定性而被廣泛用於太空探索。這種穩定性是至關重要的：遮陽板面向太陽的第一層的溫度預計將達到383 K，而最內的第五層溫度將降至36 K。然而，遮陽板部經理James Cooper表示，即便是使用正確的材料，設計合理的遮陽層讓其在深空中發揮作用也是一個“重大挑戰”。
圖2 分層遮陽板。這是一個巨型遮陽板的測試模型，可以讓詹姆斯·韋布太空望遠鏡的溫度保持足夠低
一部分問題是，遮陽板上的每一層膜都會根據其工作溫度的不同而不同程度地膨脹或收縮。設計和建造遮陽板的航天公司Northrop Grumman公司潔凈室里的薄膜會與太空中的薄膜大小不同。“每種膜的大小都需要經過精心調整，以適應預測的溫度範圍，”Cooper解釋說，“面向太陽的第一層將是最熱的，而第五層將變得非常冷。因此，在地球上建造第五層時必須足夠大，因為我們知道，當材料變冷時，它會收縮。”
另一個挑戰是，遮陽板的每一層都薄如細紗。最熱的第一層厚0.05 mm，其他四層厚0.025 mm，它們的鋁層只有100 nm厚。保持薄膜較薄可以減輕重量，但也可能容易使遮陽板損壞。事實上，遮陽板的設計考慮了應對一定程度的損壞，工程師們預計它在使用期間會遭受微隕石撞擊造成各種創傷。Cooper說，這裡或那裡的奇怪的洞不會影響它的性能——特別是因為他們在每一層中都建立了接縫和防止破裂的網格，以防止撕裂的尺寸超過大約一米乘兩米。Cooper補充說：“即使任何一層都有這種尺寸的撕裂，我們也能夠滿足性能要求。”
然而，最大的損害風險發生在發射后不久。風箏形狀的遮陽板6個角中的每一個，都包含一個薄膜張力系統（membrane tensioning system，MTS），每個MTS連接着15根纜線（每層膜各3根），總共90根纜線。為了將遮陽板的5層分開，MTS必須捲起這些電纜。在展開階段的拉扯可能會非常具有破壞性，在系統演練過程中發現，讓其工作是非常困難的。“MTS在單獨進行測試時相對簡單，但當我們把所有東西放在一起時，發現膜和電纜管理系統之間存在複雜的相互作用，”Cooper說，“我們必須克服挑戰，從而應對電纜中時而張力過大、時而鬆弛的問題。”
遮陽板計劃在望遠鏡發射3天後開始展開，並需要5天時間才能完成，這將是一段緊張的時期。但遮陽板工程師不會是唯一一個努力讓JWST保持很低溫度的人，雖然遮陽板將使望遠鏡的光學系統和大多數儀器保持在36 K的低溫，但有些部件需要更低的溫度。
保持冷卻
在JWST上的4台儀器中，有3台（近紅外光譜儀（NIRSpec）、近紅外相機、精細制導傳感器/近紅外成像儀和無縫光譜儀）工作在0.6—5 μm的近紅外波段。對它們來說，望遠鏡的一般工作溫度36K已經足夠低了，然而第四台儀器被設計為在5—28 μm的更長波長下進行觀測，為此它需要更低的溫度，準確地說，比其他設備低29 K。為了使中紅外儀器（Mid-Infrared Instrument，MIRI）上的摻砷硅探測器保持在7 K的工作溫度，NASA建造了有史以來發射到太空中的最先進的制冷機，我們稱它為大冰箱雖然準確，不過對其運行所需的創新技術有點嚴重貶低。
然而，與它的兩個前身（NASA的斯皮策太空望遠鏡和歐洲航天局的赫歇爾空間天文台）不同的是，它的冷卻劑不會耗盡，因為它的製冷器是一個封閉的系統。制冷機的主要部分是它的製冷壓縮機組件（Cryocooler Compressor Assembly，CCA），被安置在望遠鏡溫暖的一側，使用氦氣作為製冷劑，並通過迷宮般的管子連接到MIRI（距離望遠鏡主鏡後面的綜合科學設備模塊大約10m遠）。一旦氦氣被CCA內的預冷器冷卻，它就利用制冷機冷頭組件（Cryocooler ColdHead Assembly）通過這些管子泵送到MIRI。制冷機冷頭組件包含一個不到一毫米寬的閥門，它充當氦氣的“節流閥”。由於焦耳—湯姆孫效應，當氦氣在閥門的另一側膨脹時，它會下降到6 K（比MIRI的工作溫度低1 K），然後氦氣在通過MIRI探測器的後面時，會吸收並交換多餘的熱量。
在陸地制冷機中，這樣的系統還是很容易實現的。然而，對位於深空望遠鏡上的冷卻器就有一定的困難。例如，預冷器和氦氣節流閥之間的距離，通常情況下，這兩個部件之間只有幾厘米的距離，但在JWST上距離有好幾米。因此，讓氦氣在通過望遠鏡的管道時保持溫度是至關重要的。另一個挑戰是振動，任何包含移動部件的低溫系統都會產生一些振動，但在JWST上，這些振動最終是被消除的，因為活動機械的任何抖動都會振動光學系統，從而產生模糊的圖像。因此，JWST的制冷機僅包含兩個活動部件：CCA中一對水平相對運動的活塞泵，它們是專門設計的，運行起來非常平穩。
新的展望
JWST並不是唯一一個將在21世紀20年代開始運行的主要天文設施。事實上，它是三個望遠鏡之一：維拉·C。 魯賓天文台（Vera C Rubin Observatory）將於2022年在智利開始觀測，而南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace RomanSpaceTelescope）目前計劃於2027年發射。這兩個設施都將是全天巡天工作的領導者，重點是在大片天空中觀察儘可能多的天體。這類巡天項目對於收集大量天體的數據至關重要。在除此之外的其他項目中，它們將努力提供測量暗能量強度的統計數據。
目前這一領域的領先者是位於基特峰國家天文台的尼古拉斯·U。 梅奧爾（Nicholas U Mayall） 4 m望遠鏡，其暗能量光譜儀（DESI）可以一次進行5000個光譜觀測。這個數字遠遠超出了JWST的能力，但由於NIRSpec設備的存在，新的太空望遠鏡仍將完成相應的天文巡天觀測。NIRSpec可以一次收集100個天體的光譜數據，使JWST擁有其他太空望遠鏡從未有過的能力，並為天文學家提供了新的視角。
為了使JWST適合於巡天工作，它的設計者不得不超越DESI已經在使用的技術。在過去，同時觀測是一個費力的過程，需要手動將光纖固定在鋁板上打孔的位置。DESI避免了這種情況，這要歸功於機器觸動器，它將光纖固定在儀器視野內的任何位置，並且可以每20分鐘移動一次，從而允許儀器在一個晚上進行大量的觀測。不幸的是，這一解決方案被認為對天基天文台不可行。“當我們選擇在JWST上的工作方式時，我們觀察了DESI的機器人光纖方式，我們很難想象機器人能夠在太空中做到這些。”Mather說。
由於機械觸動器無法在JWST的低溫下以極高的精度運行，而且沒有技術人員可以手動改變光纖的位置，Mather和他的同事們需要一個與眾不同的解決方案。他解釋道，事實上他們需要一種完全不涉及光纖的解決方案，因為“沒有光纖可以覆蓋我們想要覆蓋的整個波長範圍”。
NIRSpec團隊的解決方案非常巧妙。該儀器的焦平面被分成四個象限，每個象限大約一張郵票大小，裡面裝滿了62000個微快門，每個微型快門的尺寸只有100×200 μm，由氮化硅製成，氮化硅具有很高的抗拉強度，足夠堅韌，可以多次打開和關閉，而且不會疲勞（圖3）。在每一次觀察過程中，需要打開的快門將接收到來自掃過象限區域磁臂的電信號，該系統將允許JWST在執行任務期間研究數千個最遙遠星系的光譜，了解它們的化學組成、恆星形成率、紅移等。Feinberg說：“我們在第一年裡要完成幾百個科學提案，每個提案都可以證明韋布望遠鏡的價值。”
圖3 打開和關閉。詹姆斯·韋布太空望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）的微快門陣列將使該望遠鏡能夠研究數千個最遙遠星系的光譜
雖然哈勃望遠鏡和JWST有很多相似之處，但也有很多不同之處。其中尤其重要的是，望遠鏡工作的地方就不一樣。當哈勃2.4 m的主鏡被磨得出現失誤時——當時工程師們還不知道——它導致了哈勃望遠鏡的球面像差。美國航天局的宇航員隨後在1993年進行了一次大膽的太空行走，他們成功地安裝了一台新儀器，為哈勃望遠鏡增添了一雙新眼睛。哈勃望遠鏡在地球軌道附近工作，這與JWST所在的L2點的位置不同——太遠了，宇航員無法到達從而進行維修任務。
雖然JWST將運行多久還有很多未知數，如果未來幾個月的拆包和後續的操作一切都按計劃進行的話，那麼至少JWST應該在接下來的10年中運行。然後，它將能夠與許多其他陸基和天基設備一起運行（這些儀器計劃在2020年代中後期上線）——就像哈勃在過去幾十年裡對其他天文台所做的那樣。雖然天文學家們等待了二十多年才看到這個望遠鏡發射升空，但一旦它開始改變我們的宇宙觀，那麼對它的等待還是值得的。
中國科學院國家天文台 鄧舒夏、苟利軍 編譯自Keith Cooper。 Physics World，2022，（1）：28
本文選自《物理》2022年第2期