詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已到達最終觀測位置

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Artwork: James Webb
效果圖:韋伯望遠鏡應該將在6月或7月全面進入科學運作

在發射升空三十天後,詹姆斯·韋伯望遠鏡(James Webb Telescope)已經在太空中抵達其將要觀測宇宙的位置。

這個被稱為拉格朗日L2點(Lagrange Point 2)的位置,在地球陰面之外100萬英里(150萬公里)處。

韋伯望遠鏡是依賴一段5分鐘的短時間推進器燃燒,最終被推進這一軌道。

現在,地球上的控制人員將會在接下來的幾個月對望遠鏡進行調節,為科學研究做凖備。

核心的任務包括打開這台觀測望遠鏡的四個設備,以及調節各面鏡的焦點——特別是由多個部分組成的6.5米寬主鏡。

「將全部18個部分從現在的狀態調節成一面大主鏡,還要將副鏡調到最佳狀態,當中有頗為繁重的工作要做,」諾斯洛普·格魯曼公司(Northrop Grumman)的韋伯望遠鏡首席工程師查理·阿特金森(Charlie Atkinson)解釋說。這家美國航天企業與美國太空總署(Nasa)聯合主導這個望遠鏡的研發。

「我們是用科學影像來做到這一點的,這就是為什麼我們需要激活這些科學設備,並且檢查一些初步校凖工作,」他向BBC表示。

韋伯被標榜為著名的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)繼任者。它在12月25日在法屬圭亞那用一枚亞利安5號運載火箭發射升空。

它的總體目標是要拍攝宇宙中第一批發光星體的照片,並觀測遠方星球,看它們是否適合居住。

歐洲的亞利安5號火箭以近乎完美的軌跡和速度將這個新的觀測望遠鏡送入L2。即使如此,還是必須進行兩個階段的修正,周一(1月24日)的第三階段將韋伯推進了計劃中的停泊位置。

拉格朗日L2點是太陽和地球附近引力場中的五個「理想位置」之一。在這些位置上,衛星能夠用很少的軌道調節來保持位置,從而節省燃料。

另一個好處是,韋伯望遠鏡在L2點上不會像靠近地球位置的太空望遠鏡那樣,經歷溫度和光線的大幅搖擺。

這對於這項任務來說至關重要。它的設計是旨在紅外光中觀察宇宙體系,所以硬件必須保持一貫的超低溫狀態。

紅外光當中有一些波長僅比可視光長一點的光波。舉個例子,在紅外線中「看得見」,就能讓望遠鏡穿過塵埃,看到一些在一般情況下成像模糊的星體。

Webb main mirror
主鏡的單獨部件必須進行調節,形成一個鏡面

韋伯現在將圍繞L2點轉動,與地球和太陽保持著幾乎成一直線的方位。

「L2點是假穩定狀態,」負責領導諾斯洛普·格魯曼公司的工程師確保韋伯保持軌道的讓-保羅·皮諾(Jean-Paul Pinaud)說。

「飛行操作團隊正在凖備用常規的燃燒動力保持位置。他們會因應我們的飛行動力學團隊所提供的軌道計算資料,每隔20天左右做一次。我們會以相似的方式設置,然後點燃推進器。不過燃燒的強度會比較小。」

在一塊巨大防光罩後面的韋伯望遠鏡光學儀器和設備,不久就會冷卻到大約-230攝氏度(望遠鏡的其中一些部分已經到達這個溫度)。到那個時候,控制人員就會打開韋伯望遠鏡的近紅外攝像機(NIRCam),拍攝一張測試性的星體圖片,這是調節主鏡程序的開端。

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「在我們第一次聚焦於太空中的一顆星的時候,我們就會知道。事實上,我們會看到18個不同的光點,因為18塊單獨的鏡元件並沒有在同一個平面上,」太空總署的設備系統工程師貝戈尼婭·維拉(Begoña Vila)說。

「但我們會調節鏡元件,將所有的點聚攏到一起,形成一個單獨星體的無異常影像,令正常任務得以進行。」

「這是一個較長的過程。它可能會用上三個月來調試,我們已經做好了這樣的凖備,」她向BBC表示。

對焦過程涉及控制主鏡18塊元件背後的小型促動器或者發動機,來調和它們的曲率。當前的錯位是以毫米計算,屆時將會降低到以納米計算——這是百萬分之一級別的提升。

位於主鏡前方、直徑74厘米的副鏡也會作相似的調節,它的作用是將光反射回設備上。

Separation
從亞利安火箭前端拍下的照片,當時韋伯望遠鏡已從火箭分離,即將開始下輪旅程

目前,韋伯望遠鏡任務尚未在任何一步出過錯。從發射到抵達L2點的旅程,均平安無事。

而且,在離開亞利安火箭前端之後,望遠鏡打開的複雜過程,也被處理得彷彿是最輕鬆的排演。

「我們對所有這些程序的精確和成功感到激動,」此次任務的諾斯洛普·格魯曼公司系統工程師主管凱爾·霍特(Kyle Hott)說。

「想想都覺得不可思議的是,幾十年前,這一切還只是紙上談兵的概念,現在它真的實現了,到達了L2點。我們士氣高昂,非常興奮。」

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