宇宙机器的内部:揭秘詹姆斯•韦伯太空望远镜开拓性的工程技术

EETOP 2022-12-04 15:12

2022年7月11日,美国总统拜登宣布首次公开詹姆斯•韦伯太空望远镜(JWST)的图像。这一重大消息是在韦伯望远镜经历了扣人心弦但又平安幸运的198天旅程之后宣布的。韦伯望远镜于2021年12月份发射,在飞往深空目的地的过程中,这台望远镜自己完成开箱、伸展,成为一个天文观测站,比月球还远的位置使它足以避开来自地球的散落红外光子。 这张名为“SMACS 0723”的星系团图像令人震惊地收集了一批天体物理学和宇宙学都渴望得到的信息。俄亥俄州立大学(位于哥伦布)的天文学家B. 斯科特•高迪(B. Scott Gaudi)在接受Space.com采访时说:“当你开始看这张照片时,你会意识到星空中没有空白,到处都有疯狂的事情在发生。”从十几篇写到这张图像的期刊文章中可以看出,韦伯望远镜实际上揭开了以前从未观测到的全新宇宙区域。 

哈勃空间望远镜所探测到的最远的宇宙边缘源自大爆炸后4.2亿年发出的光。韦伯望远镜仅用它的第一张图像就打开了这扇大门,统计显示,它至少解析了哈勃望远镜视界之外的88个星系。此外,从理论上讲,它可以回溯几千万年前的宇宙。此外,韦伯望远镜还具有革命性的能力,比如观察系外行星、银河系结构、恒星形成,以及太阳系内部的天体等。 

韦伯望远镜是如何做到这一切的?是什么样的开拓性工程使这台望远镜做好了开展突破性科学研究的准备?《科技纵揽》的两位定期撰稿人与《科技纵揽的一位副主编走访了美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局、诺斯罗普•格鲁曼公司,以及其他设计、建造和发射这台不可思议的“宇宙机器”的团队。他们所揭示的故事表明,建造这座通往宇宙时间和天文发现的大门付出了多么巨大的努力,这项工作无论在现实还是象征意义上都超越了月球项目。

光学器件从未到过的地方

“建造的东西要能绝对地、令人满意地工作。”这是美国国家航空航天局发出的命令,设计和建造历史上最大的空间望远镜:6.5米宽的韦伯望远镜。2021年12月,韦伯望远镜成功发射。现在它终于开始发布科学图像和数据了。
韦伯望远镜产品完整性团队的马克•卡汉(Mark Kahan)在回忆时表示,建造这样一台望远镜所面临的工程挑战,就好像是向全世界数千人组成的“军队”发出战斗号令,他们要着手创建人类历史上最雄心勃勃的科学仪器。卡汉是总部位于加州山景城的新思科技公司的首席电光系统工程师,他和许多人(被他称为韦伯望远镜的“后勤维修人员”)吸取30年前的惨痛教训,帮助修复了另一台光学系统存在缺陷的世界级空间望远镜——哈勃空间望远镜。
哈勃望远镜处于近地轨道,专门发射一架航天飞机去安装校正的光学系统是有可能的。但韦伯望远镜就不一样了,它远远超出了维修人员所能到达的范围。
为什么要把韦伯望远镜送到如此遥远的地方呢?因为它的任务是研究红外宇宙,这需要保护望远镜及其传感器免受太阳光和地球的红外光辐射。要做到这一点并不需要走得太远,150万公里外空荡荡的星际空间是一个不错的选择,它远远超出月球轨道,靠近物理学家所说的“第二拉格朗日点”(L2)。韦伯望远镜绕L2运行的轨道被称为晕轮轨道,这是一个完全没有物体运行的轨道。
卡汉说,后勤维修人员的工作“在于细节层面,对光学设计的每个关键方面进行差错校验”。从哈勃望远镜那里获得惨痛教训之后,工作人员坚持认为,每一次检测韦伯望远镜光学系统都必须用至少两种不同的方式进行检测和交叉检测。卡汉说,这个过程内置诊断功能,因此“你可以检查看看要剔除什么”,才能解决差异。虽然他们的工作只能在地面上进行,但他们的测试还是要评估望远镜在深空中的工作情况。
表面上看,韦伯望远镜的设计和所有大型反射式望远镜的设计一样。大尺寸的主镜收集来自恒星、星系、星云、行星、彗星和其他天体的光,然后将这些光子聚焦到较小的副镜上。副镜再将它发送给三镜,最终将光引至仪器上,记录图像和光谱。
韦伯望远镜的6.5米主镜是第一面发射到太空的镜面拼接镜。所有的光学器件都要在地面、室温环境下完成制造,但要在深空中完成部署,在绝对零度以上30至55摄氏度的温度下运行。为了让它发挥作用,“我们开发了3种新技术。”美国国家航空管理局戈达德太空飞行中心的李•范伯格(Lee Feinberg)说。他在过去20年里一直在管理用于韦伯望远镜的光学元件。
哈勃望远镜观测的最大波长是2.5微米,而韦伯要观测红外光,波长延长到28微米。哈勃望远镜的主镜面积为4.5平方米,相比之下,韦伯望远镜的主镜“需要达到25平方米”,范伯格说。“韦伯还需要减轻拼接镜的重量,其质量是一个巨大的考虑因素。”他补充道。发射韦伯望远镜的阿丽亚娜5号火箭装不下所需分辨率的单组件反射镜。这意味着,镜面要做成多片、折叠并固定,承受发射的压力,然后在太空中展开部署,形成的镜面与设计师指定形状尺寸的相差不超过几十纳米。
美国国家航空航天管理局和美国空军组队共同开发这项技术。美国空军本身对轻量级大型空间反射镜用于侦查和聚焦激光能量很感兴趣。这两家机构将收到的建造韦伯望远镜反射镜的八份提案精简为两种方法:一种是基于由二氧化硅和二氧化钛混合物制成的低膨胀玻璃,与哈勃望远镜使用的玻璃类似;另一种使用质量轻但有剧毒的金属铍。
最关键的问题是这些材料能否承受从地面室温到太空50开尔文左右的温度变化。最终铍胜出了,因为它可以在遇冷后可完全释放应力,而不会改变其形状,且不会像玻璃那样容易出现裂纹。
韦伯望远镜的主镜是由18片六边型铍镜面组成的阵列,每片重约20公斤。韦伯望远镜主镜的单位面积重量仅为哈勃望远镜的10%。在韦伯望远镜0.6至28.5微米的主观测波段上,100纳米的纯金层能使镜面反射98%的入射光。“纯银的反射率略高于纯金,但黄金更坚固。”范伯格说。一层薄薄的无定形二氧化硅用来保护金属膜免受损坏。
此外,波前传感控制系统将这些分片镜面的对齐程度保持在几十纳米以内。这个系统是在地面上建造的,预计能够在望远镜的整个使用寿命期间保持镜面稳定对齐。背板和底座可以承受总重2.4吨的望远镜和仪器,将其摇摆稳定在32纳米以内。
哈勃望远镜可以拍摄出遥远星系令人惊异的长曝光图像,是因为使用陀螺仪和反作用轮。陀螺仪用于感知不需要的旋转,反作用轮用于抵消它们。
但哈勃望远镜使用的陀螺仪记录效果不佳,不得不反复更换。今天,哈勃望远镜的6个陀螺仪中只有3个还在运行。哈勃望远镜还安装了磁力扭矩器,在需要指向星空的不同位置时,用来帮它保持方向。
韦伯望远镜同样使用反作用轮在星空中转动,但没有使用机械陀螺仪来感知方向,而是使用没有旋转部件的半球谐振陀螺仪。韦伯望远镜在光路上还有一个小型精细转向镜,它只能倾斜很小的角度。这些对进入仪器光路非常精细的调整使望远镜能够一直对准目标。范伯格说:“这是一个非常好的方法。”他还补充说,它能补偿少量的抖动,无须移动整体上有6吨重的观测站。
其他光学器件将来自精细转向镜的光分配到4台仪器中,其中2台可以同时观测。3台仪器有传感器,可以观测0.6到5微米波长的光,天文学家称之为近红外光。第4台仪器被称为“中红外仪器”(MIRI),用于观测天文学家所说的中红外光谱,范围在5到28.5微米。
中红外波长对于观测年轻恒星和行星系统以及最早的星系至关重要,但它们也提出了一些重大的工程挑战。例如,地球和除木星以外的其他行星在中红外波段发光,为了让韦伯望远镜观测遥远的天体,它必须避免记录太阳系内部各种来源无关的中红外噪声。“我的整个职业生涯都在为5微米及更长的波长制造仪器。”爱丁堡皇家天文台的中红外仪器科学家阿利斯泰尔•格拉斯(Alistair Glasse)说,“我们总是在与热背景做抗争。”
山顶望远镜可以观测近红外,但观测中红外天空需要空间望远镜。即便如此,来自地球及其大气层的热辐射也会干扰它们的观测视野,望远镜本身也会有热辐射,除非它们被冷却到远低于室温的温度。充足的液氦供应和远离地球的轨道使斯皮策空间望远镜的首期观测任务持续了近6年时间,但当2009年最后一滴液氦供应结束后,其观测范围缩小到仅限于波长小于5微米。
韦伯望远镜有一个精心制作的遮板来阻挡太阳光,距离地球150万公里的轨道上可将望远镜温度保持在55开尔文以下,但要在波长超过5微米的波段进行低噪声观测,这还不够。为了将热噪声降到最低,近红外仪器需要在40开尔文下工作。但要观测波长高达28.5微米的波段,就需要专门开发一台闭循环氦制冷机将中红外仪器冷却到7 开尔文以下。“我们希望灵敏度优于天文源的散粒噪声。”格拉斯说,它指的是信号非常微弱时,每个光子都可能产生一个可检测的峰值。这使得中红外仪器在中红外波段的灵敏度是斯皮策的数倍。
另一个挑战是,中红外光学材料的透明度有限。“我们尽可能使用反射光学器件。”格拉斯说,并指出它们也会带来问题。“热收缩是一个很大的问题。”他说,因为仪器是在室温下制造的,但要在7开尔文下使用。要保持热变化一致并避免翘曲,他们用镀金铝制作整个结构。
探测器也是一个问题。韦伯望远镜的近红外传感器使用分辨率为2048×2048像素的碲镉汞光电探测器。但传感中红外较长的波长需要更奇特的探测器,像素限制在1024×1024。
观测5微米以下波长所使用的近红外探测器和光学材料比观测中红外所使用的探测器和光学材料要成熟得多,因此,近红外相机(NIRCam)要承担双重任务,不仅要记录图像,还要校准整台望远镜中的所有光学器件。美国亚利桑那大学的近红外相机首席研究员马西娅•里克(Marcia Rieke)说,校准是仪器建造过程中最棘手的一部分。
校准指的是将主镜收集的所有光线对准到最终图像中的正确位置。这对韦伯望远镜来说至关重要,因为它有18面分立的镜片,它们的图像必须实现完美的叠加覆盖。
里克意识到,建立一个单独的校准系统会增加韦伯望远镜的重量和成本,在最初的1995年望远镜计划中,她建议设计成近红外相机,望远镜进入太空后能够校准望远镜的光学系统,还能记录图像。“唯一真正的妥协是, 近红外相机要有精致的图像质量。”里克苦笑着说。
对范伯格来说,“5个月的试运行非常神奇”。在韦伯望远镜首次展开主镜后,美国国家航空航天局记录了一张单颗恒星的测试图像,图像上只有来自18个镜片的18个亮点。2022年3月11日完成校准后,近红外相机拍下的图像显示出一颗恒星由衍射引起6个尖峰。“一切都要工作正常,才能让它(聚焦得)那么好。”他说。那段时间很紧张,但对于曾承担哈勃望远镜维修任务的老手范伯格来说,韦伯望远镜试运行只是“小菜一碟”。
美国国家航空航天局宣布,在2022年5月23日至25日期间,主镜的一个镜片被一颗微陨石撞击,在分析撞击影响的潜在后果时,美国国家航空航天局估测这颗陨石比较大。“随着时间的推移,性能确实会退化。”范伯格说。但他也补充道,韦伯的设计能将损害降到最低,并且美国国家航空航天局表示,该事件并没有影响韦伯望远镜的行动计划。
作者:Jeff Hecht

如何战胜热量

当阿波罗号宇航员发回第一组地球在太空中像一个圆盘的照片时,诗人阿奇博尔德•麦克利什(Archibald MacLeish)做出了“永恒寒冷中的明亮可爱”的描写。他说得不错。深空的温度为2.7开尔文,仅比绝对零度高2.7摄氏度。
韦伯望远镜的工作很出色,也就是说,它能够看得很远,可以看到很久以前的事情,它可以看到大爆炸后第一批星系的形成,因为它可以拍摄到发光非常微弱的物体,微弱到与它们寒冷的周围几乎没有什么不同。7月12日发布了第一组韦伯望远镜图像之后,可以清晰地看到它确实在如预期的那样工作。
这台巨型望远镜的工程师和设计师是如何使望远镜保持足够低的温度来完成这项工作的呢?
经过超过25年的工作和克服数不清的技术障碍,韦伯望远镜团队将这个庞大的观测站发射并安置在太阳轨道,其仪器温度控制在40开尔文(零下233摄氏度)以下,温度足够低,可看到135亿年前的宇宙。值得注意的是,大部分冷却都是被动的,通过遮挡望远镜避免太阳照射和利用物理现象来解决其余问题。
“韦伯望远镜不仅仅是一群人的产物,它也不是一些智慧的天文学家的产物——韦伯是我们整个世界创造能力的产物。”位于马里兰州的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心韦伯团队的负责人基思•帕里什(Keith Parrish)说,“总的来说,韦伯确实是我们制造复杂机器的全部经验和技术的成果。”
帕里什于1997年加入该项目,后来成为项目运行经理,在这些年来,经历了设计、组装、测试、延期,望远镜最终在2021年12月25日成功发射。他说,与望远镜有关的几乎每一件事都是为了满足一个需求:建造一个能够在超低温下存活数年的观测站。
将韦伯望远镜建成一个红外观测站有很多原因,其中最重要的一点是:随着宇宙的膨胀,来自遥远物体的光的波长被拉长,引起了剧烈的红移。同时,红外线能够穿透宇宙尘埃和气体,有助于观测冷物体成像,例如彗星、柯伊伯带天体,也许还有围绕其他恒星运行的行星等。
但温暖的物体都会发出红外辐射。如果像哈勃望远镜一样处于低地球轨道,那么它的大部分目标都将被太阳和地球表面,以及望远镜本身的热量所淹没。
“如果我的信号是热源,红外也是热源,那么我的系统中就不能有其他噪声热源了。”韦伯望远镜的总承包商诺斯罗普•格鲁曼公司的遮阳部经理吉姆•弗林(Jim Flynn)说。
因此,韦伯望远镜被送到深空,环绕L2运行,这个点距离地球150万公里,位于地球背对太阳的一侧,是拉格朗日点之一。受地球和太阳引力的共同作用,它每年绕太阳一圈,虽然它离太阳的距离比地球远,通常在这种情况下物体的轨道周期会更长。这是一个很好的折中方案:离地球足够远,观测不会受到干扰,同时又距离与它通信的航天器足够近,通信速度相对较快。由于它不是日夜往返绕地球轨道,所以它的温度相对稳定。它只需要一个非常非常好的遮阳板。
然而,这种设计却使飞船看起来很笨拙。望远镜组装有意向宇宙空间开放,以防止热量积聚。银色遮阳板与它相连,宽约14米、长约21米,有5层绝缘膜。
遮阳板像一只细长的风筝。工程师们发现,细长形状是保护韦伯的光学器件不受阳光照射的最有效方式。他们考虑过正方形或八边形,而最终的版本可覆盖更多的面积,却没有增加更多的质量。帕里什说:“只要满足科学视场的要求就好,没必要更大,结果就有了这种独特的风筝形状。”
5层遮阳板采用卡普顿E材料制成,这是一种由杜邦公司在20世纪60年代首次开发的塑料薄膜,用于航天器隔热和印刷电路。这些隔热膜被涂上铝和硅,每层都比人的头发薄。但工程师们知道,它们结合在一起,能非常有效地阻挡太阳的热量。第一层可将强度降低约一个数量级(或90%),第二层再降低一个数量级,以此类推。这些层决不会相互接触,它们从遮阳板中心向外围略微展开,以便热量从边上散出去。

结果是:遮阳板朝向太阳一侧的温度接近360开尔文(87摄氏度),但背对太阳一侧的温度低于40 开尔文(零下233摄氏度),这是一个至关重要的温度。换句话说,超过200千瓦的太阳能照射在第一层,但穿透第5层后,只有23毫瓦。
望远镜能够被动冷却是一项重大进步,在20世纪80年代首次有人计算出,这是可能实现的。这意味着韦伯望远镜不必完全依赖低温冷却设备,因为制冷剂可能会泄漏,可能会缩短任务时间。在它的4个主要科学仪器中,只有一个中红外探测器需要冷却到6.7开尔文。它使用多级制冷机冷却,通过脉冲管泵送冷氦气,吸走仪器的传感器的热量。它利用焦耳-汤姆逊效应氦气在受压通过1毫米的阀门后,会膨胀降低温度。压力来自两个活塞(制冷机系统中仅有的运动部件),它们面朝相反的方向运动,运动可相互抵消,不会干扰观测。
事实证明,建造望远镜极其复杂;它延期了几年,预算也膨胀到100亿美元。测试时,卡普顿材料发生了撕裂,紧固件也出现了松动,需要花很长时间重新设计遮阳板。
“我们承担的任务超出了我们能力。”帕里什现在说,“这正是美国航空航天局应该做的。应该挑战极限。”
现在,它终于部署完成,正在发送数据,工程师原本预计在它开始运行时会出现一些故障,但事实上并没有。帕里什的工作已经完成,即将转入戈达德的其他项目。“我认为韦伯望远镜是先进文明的伟大产物。”
作者:Ned Potter

数据回传

韦伯望远镜的图像是精心制作的反射镜和精密调整的科学仪器的副产品。但是,如果没有相应的通信系统,它所有的数据收集能力都将失去价值。
韦伯望远镜的通信系统并不显眼,但数据和通信系统的设计却都令人难以置信、毫无疑义地可靠,尽管它们在某些方面相对较新,例如,这是第一次在离地球这么远、数据速率如此高的任务中使用Ka波段。
距离地球远意味着数据要完整无损地返回地球,要走很长的路。这也意味着通信系统要很可靠,因为至少在短期内,为解决问题而派遣维修任务的希望很渺茫。考虑到涉及的成本和时间,韦伯望远镜的任务系统工程师迈克尔•门泽尔(Michael Menzel)说:“除非出现了严重的错误,否则我不鼓励执行会接和维修任务。”
门泽尔在韦伯望远镜工作了20多年,他表示,该计划一直是使用人们熟知的Ka波段(K波段的一部分)来传输大量的科学数据。具体而言,韦伯望远镜正在在25.9千兆赫信道上,以每秒28兆比特的速度向地球传输数据。
韦伯望远镜的数据收集和传输速率令老哈勃空间望远镜相形见绌,哈勃望远镜每天产生1到2千兆字节的数据,而韦伯望远镜每天可以产生高达57千兆字节的数据。
Ka波段能够传输的数据比深空飞行器通常使用的X波段(7至11.2千兆赫)或S波段(2至4千兆赫)的要多。这是一个优势。另外,空间望远镜科学研究所(韦伯望远镜的科学运营中心)的飞行系统工程师卡尔•汉斯(Carl Hansen)说,X波段下,类似的天线将会非常大,使航天器难以保持稳定成像。
虽然25.9千兆赫的Ka波段频率是望远镜的主要通信信道,但它还使用了两个S波段信道。一个是2.09千兆赫的上行链路,速率为16千比特/秒,望远镜用于摆渡传输未来的科学观测计划数据;另一个是2.27千兆赫的下行链路,速率为40千比特/秒,望远镜用于传输工程技术数据,包括运行状态、系统健康状况以及与望远镜日常活动有关的其他信息。
韦伯望远镜在其生命周期内收集的所有科学数据都需要存储在航天器上,因为航天器不会与地球保持全天候接触。科学仪器收集到的数据存储在航天器的68千兆字节固态硬盘中(3%留给工程和遥测数据)。同为空间望远镜科学研究所飞行系统工程师的亚历克斯•亨特(Alex Hunter)表示,在韦伯望远镜的10年任务结束时,受深空辐射和磨损影响,预计将降至60千兆字节左右。
机载存储容量足以存储24小时内收集的数据。在存储容量耗尽成为一个问题之前,韦伯望远镜将有机会将数据传回地球。
韦伯望远镜将通过深空网络(DSN)保持连接,共享深空网络这一资源的还有帕克太阳探测器、过境系外行星调查卫星、“旅行者”号探测器,以及所有火星探测器和轨道器,这里只列出几个重量级的名字。深空网络包括3个天线群,分别位于澳大利亚堪培拉、西班牙马德里和美国加州巴斯托。
深空网络系统工程师桑迪•关东(Sandy Kwan)表示,与航天器的联系窗口需提前12至20周计划。韦伯望远镜在试运行阶段有许多计划联系窗口,因为仪器要上线、检查和校准,大部分过程需要与地球实时通信。
所有通信信道都使用里德-所罗门纠错协议——与DVD和蓝光光盘以及二维码中使用的纠错标准相同。数据速率较低的S波段信道使用二进制相移键控,涉及信号载波相移。K波段信道使用正交相移键控。正交相移键控可以使信道的数据速率翻倍,但代价是发射机和接收机更加复杂。
韦伯望远镜与地球的通信包含确认协议,只有在韦伯望远镜确认文件已成功接收后,才会删除其副本。
通信系统与其他航天器总线一起由诺斯罗普•格鲁曼公司进行组装,使用的是多家制造商的成品组件。
韦伯望远镜的开发时间很长,而且经常延期,但其通信系统一直是项目其余部分的基础。保持通信系统的可靠性意味着少了一件要担心的事情。比如门泽尔记得, 激光光学系统的想法总是遭到拒绝。“想试验光通信的人至少来找过我两次。”门泽尔说,“每次他们来找我,我都会用一句话把他们送走:‘谢谢你,但我不需要。我也不想要。’”
作者:Michael Koziol

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