为了成功部署NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜,科学家需要在太空中完成几百个精准控时的工程步骤。供图:NASA
撰文:NADIA DRAKE
有史以来最强大的空间望远镜完成了任务中最危险的部分:展开,其中有几百个生死攸关的步骤。圣诞节那天,价值100亿美元的詹姆斯·韦布空间望远镜发射升空,完成了转身,展开,并调整到最终状态。在160万千米之外的太空中,韦布望远镜一边向着目标地点疾驰而去,一边完成了复杂的部署。
对于执行这项任务的科学家和工程师,以及一直在关注的太空爱好者来说,这15天充满了紧张的气氛。韦布空间望远镜必须完美地完成每一个精心设计的步骤,虽然工程师已经在地球上排练过,但望远镜进入太空后,没有人知道它的实际表现如何。部署和任务中的任何一个错误,可能就会把韦布推向毁灭。幸运的是,1月8日,韦布望远镜的主镜成功打开,标志着主要部署任务完成。
在之后的五个月左右时间里,科学团队将进行测试和微调,准备进行首次科学观测。一旦部署完成,韦布望远镜就能够从宇宙时间范围观察宇宙,捕捉130亿年前形成的天体的画面。它的任务是讲述宇宙的故事,回顾并研究早期宇宙:那是一个充满射线和混乱的炙热空间,孕育出了恒星、星系、行星和人类。
两周后,韦布望远镜将抵达最终目的地:日地拉格朗日L2点,与地球的距离是月球的四倍。在近乎完美的火箭发射后,詹姆斯·韦布空间望远镜将开始研究宇宙,时间远长于官方预计的10年寿命。
这项任务曾遇到过重重障碍:詹姆斯·韦布空间望远镜原计划于2007年发射,却多次推迟,预算不断增加,被威胁取消发射,还有以NASA局长命名所引发的争议。经过几十年的不懈努力,这台望远镜终于将看到宇宙诞生之初的曙光。
“这个团队奋斗了很长时间,而他们的工作令人惊叹的完美,”NASA的副局长Thomas Zurbuchen说:“人们需要了解这背后有多么困难。这非常,非常,非常难,他们正在创造历史。”
火箭进入轨道
2021年12月25日,在法属圭亚那库鲁市,NASA最新的阿丽亚娜5号火箭载着望远镜发射升空。大约27分钟后,詹姆斯·韦布空间望远镜与火箭上面级平稳脱离;火箭上面级安装了一台相机,拍到了望远镜渐渐远离的画面。在这些图像中,这个巨大的仪器闪着微光,最终消失在黑暗的太空中,只剩下地球的蓝色弧线。
这是人类最后一次看到詹姆斯·韦布空间望远镜的细节,虽然在奔赴L2点的旅途中,天文学家一直在追踪这个微弱的光点。
就在它离开相机的视野之前,望远镜展开了太阳能电池板,开始收集太阳的能量。如果没有这关键的一步,就不会有这项任务。“没有能源,我们什么也做不了,”1月4日,NASA的部署工程师Alphonso Stewart告诉记者。
火箭发射时的紧张情绪渐渐平息,但科学家和工程师知道,旅程中最艰难的部分还未开始。
在太空中展开
詹姆斯·韦布空间望远镜完全展开后大约三层楼高,遮阳板可以覆盖网球场的大部分地方。因为太大,它无法以最终状态进入太空。
工程师把6.4米宽的主镜折叠后塞入较小的副镜,把21米的遮阳板卷起堆放起来。精巧的遮阳板共五层,可以帮助科学仪器冷却至零下233度,让它们探测最早的恒星和星系发出的微弱的红外信号,同时不会从望远镜本身获取热量。
“遮阳板是我们投入太空最复杂的东西之一,而且必须这么做,”NASA的Jane Rigby说:“看看科学要求,以及工程方面的要求,我们直接想到了遮阳板。”
所有这些存储物必须打包得严严实实,这样望远镜才不会在发射中晃成碎片,Rigby说。一旦詹姆斯·韦布空间望远镜顺利升空,它就会开始释放所有的螺栓,部署各组件——这是一场冒险,有344个可能出错的地方。
任务团队一开始就解决了一些小问题,比如引擎的温度比预期高一点,与太阳能电池阵连接的电源出现异常,接下来就到了重大部署的时刻。其中,展开遮阳板最具挑战性。它需要一层层打开并拉紧,不能粘住或钩住,有点像操纵帆船,而这次是在太空中,只能靠自动程序,而且不能有丝毫失误。
一切都按照计划有条不紊地进行着。螺栓拉开,覆盖物脱离。在26个小时里,缆绳、滑轮、驱动器和引擎牵引着五层薄薄的遮阳板,将之拉伸成六角帆,保护望远镜不被太阳和地球影响。在巴尔的摩的任务控制中心,科学团队无法看到这一过程,但他们可以通过引擎的电流、产生的拉力和运转时长,以及望远镜的反应,来判断进展情况。
1月4日中午,遮阳板部署宣告成功。这是人类首次在太空部署这样的系统,Stewart告诉记者。“第一次,我们做到了。”
“这一天太棒了,”那天晚上,Rigby在邮件中写道:“我如释重负。”
然后是望远镜副镜的部署和固定到位,它是把所有收集到的光汇聚到探测器的关键所在。没有副镜,望远镜的眼睛只不过是一个大大的镀金铍镜,漂浮在太空中。
1月8日,主镜巨大的翅膀终于展开,并固定到位。“詹姆斯·韦布空间望远镜部署完毕,”任务运营负责人Carl Starr在控制中心宣布,开启了庆祝活动。
金色空间望远镜的未来
在詹姆斯·韦布空间望远镜继续奔赴L2点的旅途中,科学家和工程师也在进行调整,让望远镜做好准备,凝视宇宙。他们还在进行一项任务,时间比最初预计的10年长得多。阿丽亚娜5号火箭完美地把韦布望远镜送入轨道,望远镜只需要少量燃料就可以设置前往L2点的航线。到达那里后,望远镜需要定期燃烧燃料,留在轨道上,而现在航天器的燃料箱里的气体比预计的更多。
燃料不是任务持续时间的唯一限制因素,但是一个很重要的因素。目前,NASA没有给出燃料持续时间的确切数字,但负责人并表示很乐观。
“我们知道,燃料比(计划的)10年多得多,”詹姆斯·韦布空间望远镜项目主管Greg Robinson说:“不过我们还不知道如何利用推进器和燃料完成调试阶段。因此给出粗略计算还为时过早……(但)就目前的情况,我认为远超10年。”
未来还可能有为詹姆斯·韦布空间望远镜补充燃料的任务,这将大幅延长任务的时间。不同于著名的哈勃空间望远镜(宇航员曾多次进行维修),韦布望远镜太远,人类无法操作。但Zurbuchen说,将优先研发机器人补充燃料任务的技术。
“我要求团队思考能做些什么,是否可以运用于韦布,”Zurbuchen说。NASA还没有掌握为韦布望远镜补充燃料的技术,但这架望远镜在设计方面已经考虑到了这一点:可再次填充的气罐、可以拆卸热保护器、视觉导航目标和可靠近附着点。
南希·格雷斯·罗曼太空望远镜同样被设计为易于维护,这是NASA的下一个大型空间天文台,将在L2点加入詹姆斯·韦布空间望远镜。“毫无疑问,”Zurbuchen说:“补充燃料(和)易于维护是这些大型资产的战略方向。这非常重要。”
目前,我们还不知道詹姆斯·韦布空间望远镜会在太空中看到什么,但它将凝视着古老的星系、外星世界、脉动星,甚至我们太阳系的卫星,时间越长,我们越有可能发现从未想象过的东西。
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