下代超级空间望远镜关键设备完成：耗资惊人[5P]

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下代超级空间望远镜关键设备完成：耗资惊人


　　保护膜覆盖下的近红外光谱仪(NirSpec)设备，它是构成詹姆斯·韦伯空间望远镜4台关键科学载荷的其中之一，日前已经在德国完成制造

工程师正在组装近红外光谱仪(NirSpec)设备

美国宇航局戈达德空间飞行中心，工程师正在组装詹姆斯·韦伯空间望远镜

　　这是望远镜使用的微型遮光系统，它是一个使用超过25万个微型小门来在夜空中选择观测天体的装置，其每次最多可以导入100个天体的光线进行观测

詹姆斯·韦伯空间望远镜结构示意图

　　一个由德国Astrium公司领衔的工业团队近日完成了近红外光谱仪(NirSpec)的建造工作，这是未来将会安装于詹姆斯·韦伯空间望远镜上的4台科学观测载荷之一。

　　宇宙的第一缕曙光

　　近红外光谱仪设备的任务是判断其观测视野内天体的年龄，组成，运动情况以及距离。科学家们估计这样的观测将能找出那些闪耀于最早期宇宙中的古老恒星体。这也将意味着首次捕捉到穿越136亿光年的广袤空间抵达地球的宇宙第一缕光线的信号，这是现有的哈勃空间望远镜所无法做到的事情。

　　詹姆斯·韦伯空间望远镜之所以能够完成这样的任务，是因为其采用了一系列下一代的先进技术，包括口径达到6.5米的主镜面，这几乎是哈勃空间望远镜主镜面口径的两倍以上，另外还有一个面积与一个网球场相当的巨型遮阳罩以便保证期敏锐的观测灵敏度。其所搭载的近红外光谱仪对于实现其观测能力十分关键，这台设备是集10年设计与制造工艺努力的结晶。

　　光学科技的奇迹

　　上周五在德国奥特伯恩(Ottobrunn)举行了一个简单的庆祝仪式，纪念这台关键设备的建成。随后其被移交给欧洲空间局(ESA)，后者很快便将这台价值超过2亿欧元的精密设备转交给了美国宇航局(NASA)。在9月20日，NirSpec设备将会被运往设在美国马里兰州的戈达德空间飞行中心，在那里它将被安装到望远镜镜体之上进行整合。到此为止，欧洲方面承担的詹姆斯·韦伯空间望远镜项目任务主要部分已经完成。欧洲方面承担的另外一台设备是中红外探测仪(Miri)，这台设备由英国负责设计制造，并已经于去年移交美方。

　　按照目前的计划，詹姆斯·韦伯空间望远镜将于2018年10月份升空，届时它将采用欧洲阿里安-5型运载火箭从位于南美洲法属圭亚那的库鲁航天中心发射升空。而现在，在设在奥特伯恩的无尘车间里，整个建造完成等待转运的NirSpec设备被一张保护膜覆盖，无法看到任何细节。但是如果你揭开保护膜观察，你就会领略到顶级光学设备的精密程度，那种精密性给人的震撼将是难以描述的。

　　NirSpec设备在组装过程中将会被安装在詹姆斯·韦伯空间望远镜主镜面的后方，在升空之后它将在这里接收来自主镜面采集的光信号。随后光束会经过一个光栅，在那里光线被分解为不同的色彩——光谱。随后探测器将对这些光谱信号进行接收，并将其转化为电信号并传送回地面。

　　新型材料的贡献

　　所有这些都是在近红外波段进行的，其波长范围大致是0.6~5微米之间。这正是科学家们预期在经历漫长的130多亿光年的旅程之后，那些最早期恒星的光芒所应该具有的波长范围。

　　NirSpec设备设计方面的一个有趣问题就是，整台设备的几乎一半重量是由超高强度的碳化硅材料制造的。Astrium公司项目经理拉尔夫·穆尔(Ralf Maurer)表示：“碳化硅材料的一项独特之处就在于它可以让我们使用同一种材料来制造镜面和望远镜的整体结构。”他说：“这将缓解不同材料间的热性能差异，从而更好的让望远镜适应高低温环境之间的转变而不至于发生严重的变形情况。这对于精密的光学观测设备来说是非常重要的。”

　　詹姆斯·韦伯空间望远镜工作于近红外波段，这意味着它将不仅可以观测那些极其遥远的天体，它还可以观测那些温度较低的天体，以及那些被厚厚的尘埃气体云所包裹的隐藏的天体。因此可以预见在近距离宇宙的观测中，詹姆斯·韦伯空间望远镜也将能做出重要的发现，而其中最令人期待的一项则是围绕其它恒星运行的系外行星的观测。对于其中一些观测条件比较好的系外行星，詹姆斯·韦伯空间望远镜甚至有可能可以分辨其大气层的气体构成成分，而这将告诉我们很多有关这颗行星的重要信息。

　　研制坎坷，耗资惊人

　　当然，在讨论詹姆斯·韦伯空间望远镜的话题时很难避免谈到这台划时代的先进观测设备在其建造过程中所遇到的诸多困难。由于预算，技术以及管理方面的诸多问题，该项目的推进不断出现研制工期超期，以及预算的严重超支情况。如果将欧洲和加拿大方面为此项目付出的预算花费也算上，目前这一项目的耗资总额已经接近惊人的100亿欧元(约合811.7亿人民币)。

　　事实上，这些困难和不断地延期已经造成了很多困扰，比如德国方面发现，在美国为其建造NirSpec所提供的部件中有两台已经出现了问题，需要在设备发射升空之前进行更换。这两台设备分别是红外探测器以及微型遮光系统。红外探测器的探测能力已经随着时间的推移而逐渐降低了灵敏度，因此需要进行更换。

　　而微型遮光系统则是一个使用了超过25万个微型小门来在夜空中选择观测天体的装置，其每次最多可以导入100个天体的光线进行观测。在测试中发现这一装置中有一部分小门会卡在开启状态无法闭合。对此美国戈达德中心的工程师们已经设计出一项针对这一问题的对策，但是尚需对设备进行改装以便应用这些改进对策。

　　划时代的观测设备

　　尽管詹姆斯·韦伯空间望远镜的研制过程中出现了这样或者那样的失误和困难，耗资也确实异常惊人，但是不要忘记目前正在运行中的哈勃空间望远镜耗资同样是非常惊人的。

　　很多人会忽略这样一个事实，那就是，为了执行哈勃空间望远镜的发射和维护，美国实施了多达6次昂贵的航天飞机发射任务。当然很多人会说哈勃空间望远镜几乎改变了我们对于宇宙的认识，它极大的影响了现代科学的进程，但实际上科学家们对于詹姆斯·韦伯空间望远镜的期待一点都不比哈勃望远镜少。

　　JWST项目主管，美国宇航局的埃里克·史密斯博士(Eric Smith)表示：“韦伯将是一台‘难以预料’的望远镜，就像它的前辈哈勃那样。”他说：“当哈勃空间望远镜升空时，人们对其提出了一系列科学指标并或多或少的预测了它将能做出哪些发现。结果哈勃望远镜的确一一达成了那些预言。但是纵观整个哈勃望远镜项目的全貌，其中最惊人，最振奋人心的发现，却都是那些未曾事先料到的意外发现。而这一次，韦伯望远镜也一定会有类似的事情发生。”

　　而来自欧洲空间局的马克·麦克科汉(Mark McCaughrean)则给出了这样的评价，他说：“毫无疑问，詹姆斯·韦伯空间望远镜将会成为下一代宇宙观测的核心设备，目前很多的科研计划都是以假定詹姆斯·韦伯空间望远镜能够如期顺利升空并开展预定观测计划为基础的。在很多方面，相比我们目前最好的观测设备，詹姆斯·韦伯空间望远镜在分辨能力方面不是提升了10倍或者100倍，而是提升了1000倍甚至10000倍。这将是一台主宰时代的超级观测设备。”

　　一些主要事实和数据：

　　1) 詹姆斯·韦伯空间望远镜的主镜面集光能力大约是哈勃空间望远镜的7倍；

　　2) 詹姆斯·韦伯空间望远镜所采用的遮光罩面积是22米*12米，在遮光罩的正反面温差达300摄氏度；

　　3) 詹姆斯·韦伯空间望远镜的所有观测设备必须被保持在极低的温度下，如此方能确保仪器自身的红外辐射不会对观测产生干扰；

　　4) 詹姆斯·韦伯空间望远镜将于2018年搭乘欧洲阿里安火箭升空，升空后它将运行于距离地球150万公里的拉格朗日点开展科学观测活动。