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韋布已經(jīng)受輕傷！肇事者是…… | 賽先生天文

2022/12/05
導(dǎo)讀
韋布空間望遠(yuǎn)鏡藝術(shù)圖，圖片來源：ESA/C. Carreau

  • 編者按


最強(qiáng)天空之眼詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡受傷了，其18塊六邊形鏡片中的一片（C3鏡）在幾個月前被撞！“肇事者”是誰？這處損傷將會對韋布今后的探測產(chǎn)生哪些影響？本期賽先生天文，讓我們來看看韋布漫漫征途上可能遇到的勁敵們。

撰文 | 鄭曉晨（北京天文館）
責(zé)編 | 王馨心、呂浩然

  • 千呼萬喚與暗中觀察


2021年12月25日，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡 (James Webb Space Telescope) 幾經(jīng)波折，終于在法屬圭亞那航空發(fā)射中心，搭乘歐洲空間局的阿麗亞娜5型運(yùn)載火箭發(fā)射升空。距離其原定發(fā)射日期，推遲了長達(dá)14年之久，喜提“鴿王之王”的美譽(yù)。不過，這些心酸過往并不妨礙韋布作為人類迄今為止最為先進(jìn)的空間天文設(shè)備，坐擁雄厚的群眾基礎(chǔ)和粉絲關(guān)注度，成為當(dāng)之無愧的望遠(yuǎn)鏡頂流。

韋布立項于上世紀(jì)末，自誕生之日起便被給予厚望，一直被視為哈勃望遠(yuǎn)鏡（HST）的繼任者，背負(fù)著諸多重大科學(xué)使命。畢竟是耗資百億美元的人類工程學(xué)奇跡，韋布望遠(yuǎn)鏡自然比哈勃望遠(yuǎn)鏡要更大更精密。其主鏡由18塊1.3米的六邊形鏡片組成，口徑達(dá)6.5米，聚光能力是哈勃望遠(yuǎn)鏡的6.25倍。相比于哈勃主攻可見光、紫外波段，韋布望遠(yuǎn)鏡和已經(jīng)退役的前輩斯皮策（Spizer）空間望遠(yuǎn)鏡一樣，對紅外光譜下的宇宙情有獨(dú)鐘，其超高的空間分辨率有望觀測到更為深邃暗淡的遠(yuǎn)空，為我們繪制出可觀測宇宙早期的景像。

圖 1：日地系統(tǒng)的5個拉格朗日點(diǎn)，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡已在距地球150萬公里的L2點(diǎn)（日地正對的第二個拉格朗日點(diǎn)）圍繞太陽運(yùn)行，圖片來源: NASA/STScI

2021年圣誕方才順利升空后的韋布，歷經(jīng)了長達(dá)（近）一個月的漫長旅程，終于成功抵達(dá)其目的地——日地系統(tǒng)拉格朗日L2點(diǎn)（圖1）。L2點(diǎn)距離地球軌道約150萬公里，比哈勃的繞行軌道遠(yuǎn)了約750倍。之所以不遠(yuǎn)萬里地將韋布推送到L2點(diǎn)，自不是人傻錢多的炫技行為。拉格朗日點(diǎn)恰好是一個力學(xué)平衡點(diǎn)，到達(dá)此處運(yùn)行的韋布將能與太陽、地球相互繞轉(zhuǎn)，且保持相對位置不變。更為關(guān)鍵的是，太陽與地球同時處于L2一側(cè)，三點(diǎn)共線，這樣，韋布張開的巨大遮陽板剛好可以同時抵擋住來自太陽和地球的光污染，堪稱“暗中觀察”的天選之地。

不過，相比于環(huán)地軌道的哈勃，L2點(diǎn)路途遙遙多艱險。據(jù)說，韋布望遠(yuǎn)鏡部署成功先后需歷經(jīng)344個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，比如如何如變形金剛般流暢無損地展開折疊的鏡子，如何成功打開那個球場般大的遮陽板等等，這其中匯集了人類頂尖科技的極致運(yùn)用，卻也暗藏了概率論下的無可奈何，可謂令人全程提心吊膽。畢竟，近地軌道的哈勃出了問題，我們還可以派遣宇航員為它補(bǔ)裝“眼鏡”，卻不太可能百萬里迢迢幫韋布手動“撐傘”。

好在命途多舛的韋布發(fā)射升空后總算一掃霉運(yùn)、受到幸運(yùn)的眷顧，歷經(jīng)半年的變軌、望遠(yuǎn)鏡展開、儀器校準(zhǔn)和調(diào)試等一系列復(fù)雜操作，終于可以在既定軌道大展身手，向大家展示一個真正的頂流那令人嘆服的、窺視宇宙邊緣的實(shí)力。

  • 光明前路與隱憂

圖 2：韋布望遠(yuǎn)鏡的第一張全彩色圖（右），對比于哈勃望遠(yuǎn)鏡在同一區(qū)域拍攝的圖像（左），圖片來源: NASA/ESA/CSA/STScI

2022年7月12日，升空半年后，韋布望遠(yuǎn)鏡的金主爸爸們——美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）聯(lián)合發(fā)布了由韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝到的首批深空全彩照，艷驚世界。

其中一張照片聚焦了位于飛魚座，距離地球42.4億光年的星系團(tuán)SMACS J0723.3-7327，不過，更有意思的是照片背景板中那些五色斑斕的深場小斑點(diǎn)（圖2），它們代表了可觀宇宙邊緣的眾多未知星系。韋布不負(fù)所望地向我們展示了130多億年前的宇宙景象，這也是迄今為止最深、最清晰的來自遙遠(yuǎn)宇宙的紅外圖像。

此外，韋布還拍攝了位于鳳凰座方向的氣態(tài)巨行星WASP-96b的大氣透射譜，初步預(yù)估了該系外行星的大氣種類以及含量；為位于船帆座的行星狀星云——南環(huán)狀星云（NGC3132）拍攝了新彩照，其中心雙星直觀可見；拍攝了位于飛馬座的斯蒂芬五重星系，星系并合蔚為壯觀；還拍攝了位于銀河系南天星空中的船底座星云（NGC3324），在這個美輪美奐的恒星形成區(qū)，大量新生恒星正在孕育。一時間，大家的屏幕背景都有了新的替換素材，而這些照片不過是韋布小試牛刀的前菜罷了（想看圖片的點(diǎn)擊這里！）。

不過，看似一片光明的科學(xué)坦途，背后其實(shí)尚有隱憂。要知道，韋布巨大的鏡面由18塊六邊形鏡片拼接而成，每個子鏡都由輕盈的金屬鈹制成，上鍍薄金，整體相當(dāng)于無鏡筒設(shè)計的開放式鏡片。而太空中微隕石很常見，這些通常由小行星或彗星碎片構(gòu)成的微隕石，大小、形狀不一，質(zhì)量可能高達(dá)幾百噸，也可能小過指尖流沙。任何長期運(yùn)行的航天器都不可避免地會在執(zhí)行太空科學(xué)任務(wù)的過程中遭遇微隕石撞擊，比如國際空間站，比如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。而且，韋布的情況與這些近地軌道運(yùn)行的航天器有所不同，除了巨大、精密、裸露的18塊鏡片外，韋布恰處于日地系統(tǒng)的拉格朗日L2點(diǎn)，這是一個引力相對平衡的區(qū)域，也可能極大地改變微隕石碰撞的風(fēng)險等級。

升空半年來，韋布的主反射鏡波前傳感裝置已經(jīng)記錄了6次由微隕石撞擊造成的局部鏡面變形，有5次的碰撞影響可忽略不計， 但在5月22日至24日期間，其中一顆微隕石擊中了韋布18塊鍍金鏡片中的一塊C3反射鏡，造成了無法彌補(bǔ)的可感傷害（圖3）[1,2,3]。

圖 3：2022年6月21日，韋布空間望遠(yuǎn)鏡在一次意外的大型微隕石撞擊事件后的狀態(tài)（右），與預(yù)期狀態(tài)（左）的比較，右下角的白色光點(diǎn)標(biāo)記處了碰撞的位置，圖片來源: NASA/STScI

  • 問題不大！

當(dāng)然，作為肩負(fù)尋找宇宙第一縷星光這一偉大使命的空間望遠(yuǎn)鏡，韋布自不會是弱不禁風(fēng)之輩，在其設(shè)計之初，早已預(yù)備好遭受來自惡劣太空環(huán)境中的急風(fēng)驟雨了。在韋布的漫漫取經(jīng)路上，來自太陽的紫外線、帶電粒子，來自銀河系的宇宙射線以及來自太陽系內(nèi)的饋贈——微隕石撞擊等等，都將是它必經(jīng)的劫難。因此，按照設(shè)計，韋布的鏡頭至少應(yīng)該能夠抵御日地L2軌道上高速飛行的塵埃大小的粒子轟擊[2]。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前，其科學(xué)團(tuán)隊還構(gòu)建了微隕石模型，計算模擬微隕石環(huán)境對于鈹反射鏡的影響，發(fā)現(xiàn)其影響可以忽略不計。畢竟，在2003 年發(fā)射的前輩斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡上，同樣有一個暴露的低溫鈹鏡，斯皮策能夠在微隕石遍布的太空中安然無恙地遨游近20年，無疑為韋布空間望遠(yuǎn)鏡樹立了信心。根據(jù)測算，韋布空間望遠(yuǎn)鏡每個月大概會遭遇到一次微隕石撞擊，與韋布升空半年來的遭遇相符。

相對應(yīng)的，平均每個反射鏡的波前誤差累積下來，六年內(nèi)應(yīng)該不超過16納米。波前誤差，是衡量望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡性能的重要參數(shù)，可以評估星光經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡的變形程度。在韋布長達(dá)半年的試運(yùn)行期間，其中5次微隕石碰撞事件總體貢獻(xiàn)了不到1納米的波前誤差，但5月份的這次單顆微隕石撞擊強(qiáng)度卻大大超過了地面模擬時的測試范圍，造成了超乎于平均水平10倍的波前誤差。目前，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的波前誤差均方根（rms）最佳理想值，已由50納米升至59納米[1]。

所幸，此次撞擊對于韋布空間望遠(yuǎn)鏡的總體性能似乎影響不大，畢竟只有C3鏡頭的一小部分區(qū)域受損，其它17個鏡像部分仍然完好無缺。而且，根據(jù)韋布空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計，它能夠通過調(diào)整子鏡的排列方式，校正部分影響，消除失真，彌補(bǔ)（大部分）鏡片退化的影響。比如此次微隕石事件中受影響的C3鏡片，就經(jīng)歷了額外的鏡像調(diào)整、修正，現(xiàn)下的波前誤差有效值僅僅增加了5-10納米。一般來說，考慮到望遠(yuǎn)鏡的漂移和穩(wěn)定性，正常進(jìn)行科學(xué)觀測的波前誤差均方根約為60-80納米間，若疊加考慮其它科學(xué)儀器的綜合影響，典型的波前誤差均方根可達(dá)70-130納米[1]。因此，此次撞擊導(dǎo)致的輕微鏡片退化影響較小。

韋布科學(xué)組已初步評估了望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)表現(xiàn)，認(rèn)定其性能仍遠(yuǎn)超預(yù)期，應(yīng)當(dāng)能夠完成既定的科學(xué)任務(wù)。但問題是，在韋布望遠(yuǎn)鏡漫長的太空生命周期中，撞擊必將持續(xù)發(fā)生，其主鏡性能退化的最大不確定性仍來自于微隕石的長期影響。換而言之，韋布能否承受住多少次同等規(guī)模的高能撞擊？目前，尚不清楚2022年5月單顆微隕石對C3反射鏡的高能撞擊是否為罕見的偶發(fā)性事件，畢竟在統(tǒng)計上評估，類似的高能撞擊頻次應(yīng)該是幾年一次的概率。若非偶發(fā)性事件，那么針對韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前所進(jìn)行的微隕石撞擊模擬實(shí)驗考慮定有不周?；蛘?，真實(shí)的太空環(huán)境可能比人類設(shè)想的微隕石背景要惡劣的多，對韋布空間望遠(yuǎn)鏡的傷害也要嚴(yán)重的多。

鑒于此，韋布工作組還專門組建了一個工程師團(tuán)隊，與美國宇航局馬歇爾太空飛行中心的微隕石專家們一起，對太空中的微隕石背景進(jìn)行重新的考量和建模。針對類似C3鏡片撞擊受損事件，通過評估高能危險性微隕石的數(shù)目，可以更為全面地判斷其對鈹鏡的長期影響。另一方面，韋布也在試圖尋求降低高能微隕石撞擊頻次的潛在方法，制定躲避策略，比如，通過限制鏡頭方向來躲避迎面而來的微隕石，盡量避免（相對高速）軌道方向的正面遭遇。此外，由于近紅外相機(jī)（NIRCam）瞳孔成像鏡頭的初步成像對沖擊情況很敏感，其敏感度往往甚至低于波前傳感的可檢測閾值，因此常規(guī)的瞳孔成像監(jiān)測也將有助于抑制微隕石的命中率。 

不過正所謂禍兮福所倚，韋布龐大的體積雖然極易成為太空中的活靶子，但其極高的靈敏度何嘗不是一個理想的微隕石探測器。隨著碰撞數(shù)據(jù)的累積，未來，也許我們不僅能夠更精準(zhǔn)地預(yù)測望遠(yuǎn)鏡性能的變化，還能更清楚地了解日地L2點(diǎn)周圍的塵埃粒子環(huán)境。如果機(jī)智的科學(xué)家們還能更進(jìn)一步，據(jù)此開發(fā)出全新的操作策略，最大限度地保障韋布空間望遠(yuǎn)鏡的成像性能，無疑將為當(dāng)下和未來的科學(xué)探索清掃出一條康莊大道。

  • 與哈雷相遇？

當(dāng)然，那些美好愿景都是后話，很快，韋布空間望遠(yuǎn)鏡將面臨一場未知的考驗。根據(jù)軌跡分析，2023至2024年間，韋布將穿越哈雷彗星的尾跡，雖然據(jù)說微隕石專家們正在密切關(guān)注韋布未來可能的碰撞風(fēng)險[3]，但碰或不碰，這是個問題。

根據(jù)燃料的使用情況，韋布望遠(yuǎn)鏡預(yù)計可為人類的好奇心發(fā)光發(fā)熱20年。不過，除了韋布的反射鏡和遮陽板會因微隕石的撞擊而慢慢退化外，它的探測器也會因帶電粒子的累積而緩慢受損，遮陽板和多層隔熱層將因空間風(fēng)化而退化，等等諸多因素。所以，目前還不能明確韋布空間望遠(yuǎn)鏡的最終服役時長。從早期宇宙到星系演化，從恒星形成到地外生命，韋布的漫漫求索途任重而道遠(yuǎn)，愿韋布前路通達(dá)，也祝我們宇宙探秘之旅得償所愿！

致 謝：
感謝中國科學(xué)院國家天文臺空間天文與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室、中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院張臣老師、楊雪同學(xué)的文獻(xiàn)建議。

  • 參考文獻(xiàn)
[1] Characterization of JWST science performance from commissioning
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2207/2207.05632.pdf
[2] https://blogs.nasa.gov/webb/2022/06/08/webb-engineered-to-endure-micrometeoroid-impacts/
[3] https://www.space.com/james-webb-space-telescope-micrometeoroid-damage

制版編輯 | Livan
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