韦布已经受轻伤！肇事者是…… | 赛先生天文-资讯-知识分子

韦布已经受轻伤！肇事者是…… | 赛先生天文

2022/12/05

导读

韦布空间望远镜艺术图，图片来源：ESA/C. Carreau

编者按

最强天空之眼詹姆斯·韦布空间望远镜受伤了，其18块六边形镜片中的一片（C3镜）在几个月前被撞！“肇事者”是谁？这处损伤将会对韦布今后的探测产生哪些影响？本期赛先生天文，让我们来看看韦布漫漫征途上可能遇到的劲敌们。

撰文 | 郑晓晨（北京天文馆）

责编 | 王馨心、吕浩然

千呼万唤与暗中观察

2021年12月25日，詹姆斯·韦布空间望远镜 (James Webb Space Telescope) 几经波折，终于在法属圭亚那航空发射中心，搭乘欧洲空间局的阿丽亚娜5型运载火箭发射升空。距离其原定发射日期，推迟了长达14年之久，喜提“鸽王之王”的美誉。不过，这些心酸过往并不妨碍韦布作为人类迄今为止最为先进的空间天文设备，坐拥雄厚的群众基础和粉丝关注度，成为当之无愧的望远镜顶流。

韦布立项于上世纪末，自诞生之日起便被给予厚望，一直被视为哈勃望远镜（HST）的继任者，背负着诸多重大科学使命。毕竟是耗资百亿美元的人类工程学奇迹，韦布望远镜自然比哈勃望远镜要更大更精密。其主镜由18块1.3米的六边形镜片组成，口径达6.5米，聚光能力是哈勃望远镜的6.25倍。相比于哈勃主攻可见光、紫外波段，韦布望远镜和已经退役的前辈斯皮策（Spizer）空间望远镜一样，对红外光谱下的宇宙情有独钟，其超高的空间分辨率有望观测到更为深邃暗淡的远空，为我们绘制出可观测宇宙早期的景像。

图 1：日地系统的5个拉格朗日点，詹姆斯·韦布空间望远镜已在距地球150万公里的L2点（日地正对的第二个拉格朗日点）围绕太阳运行，图片来源: NASA/STScI

2021年圣诞方才顺利升空后的韦布，历经了长达（近）一个月的漫长旅程，终于成功抵达其目的地——日地系统拉格朗日L2点（图1）。L2点距离地球轨道约150万公里，比哈勃的绕行轨道远了约750倍。之所以不远万里地将韦布推送到L2点，自不是人傻钱多的炫技行为。拉格朗日点恰好是一个力学平衡点，到达此处运行的韦布将能与太阳、地球相互绕转，且保持相对位置不变。更为关键的是，太阳与地球同时处于L2一侧，三点共线，这样，韦布张开的巨大遮阳板刚好可以同时抵挡住来自太阳和地球的光污染，堪称“暗中观察”的天选之地。

不过，相比于环地轨道的哈勃，L2点路途遥遥多艰险。据说，韦布望远镜部署成功先后需历经344个关键节点，比如如何如变形金刚般流畅无损地展开折叠的镜子，如何成功打开那个球场般大的遮阳板等等，这其中汇集了人类顶尖科技的极致运用，却也暗藏了概率论下的无可奈何，可谓令人全程提心吊胆。毕竟，近地轨道的哈勃出了问题，我们还可以派遣宇航员为它补装“眼镜”，却不太可能百万里迢迢帮韦布手动“撑伞”。

好在命途多舛的韦布发射升空后总算一扫霉运、受到幸运的眷顾，历经半年的变轨、望远镜展开、仪器校准和调试等一系列复杂操作，终于可以在既定轨道大展身手，向大家展示一个真正的顶流那令人叹服的、窥视宇宙边缘的实力。

光明前路与隐忧

图 2：韦布望远镜的第一张全彩色图（右），对比于哈勃望远镜在同一区域拍摄的图像（左），图片来源: NASA/ESA/CSA/STScI

2022年7月12日，升空半年后，韦布望远镜的金主爸爸们——美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）联合发布了由韦布空间望远镜拍摄到的首批深空全彩照，艳惊世界。

其中一张照片聚焦了位于飞鱼座，距离地球42.4亿光年的星系团SMACS J0723.3-7327，不过，更有意思的是照片背景板中那些五色斑斓的深场小斑点（图2），它们代表了可观宇宙边缘的众多未知星系。韦布不负所望地向我们展示了130多亿年前的宇宙景象，这也是迄今为止最深、最清晰的来自遥远宇宙的红外图像。

此外，韦布还拍摄了位于凤凰座方向的气态巨行星WASP-96b的大气透射谱，初步预估了该系外行星的大气种类以及含量；为位于船帆座的行星状星云——南环状星云（NGC3132）拍摄了新彩照，其中心双星直观可见；拍摄了位于飞马座的斯蒂芬五重星系，星系并合蔚为壮观；还拍摄了位于银河系南天星空中的船底座星云（NGC3324），在这个美轮美奂的恒星形成区，大量新生恒星正在孕育。一时间，大家的屏幕背景都有了新的替换素材，而这些照片不过是韦布小试牛刀的前菜罢了（想看图片的点击这里！）。

不过，看似一片光明的科学坦途，背后其实尚有隐忧。要知道，韦布巨大的镜面由18块六边形镜片拼接而成，每个子镜都由轻盈的金属铍制成，上镀薄金，整体相当于无镜筒设计的开放式镜片。而太空中微陨石很常见，这些通常由小行星或彗星碎片构成的微陨石，大小、形状不一，质量可能高达几百吨，也可能小过指尖流沙。任何长期运行的航天器都不可避免地会在执行太空科学任务的过程中遭遇微陨石撞击，比如国际空间站，比如哈勃空间望远镜。而且，韦布的情况与这些近地轨道运行的航天器有所不同，除了巨大、精密、裸露的18块镜片外，韦布恰处于日地系统的拉格朗日L2点，这是一个引力相对平衡的区域，也可能极大地改变微陨石碰撞的风险等级。

升空半年来，韦布的主反射镜波前传感装置已经记录了6次由微陨石撞击造成的局部镜面变形，有5次的碰撞影响可忽略不计，但在5月22日至24日期间，其中一颗微陨石击中了韦布18块镀金镜片中的一块C3反射镜，造成了无法弥补的可感伤害（图3）[1,2,3]。

图 3：2022年6月21日，韦布空间望远镜在一次意外的大型微陨石撞击事件后的状态（右），与预期状态（左）的比较，右下角的白色光点标记处了碰撞的位置，图片来源: NASA/STScI

问题不大！

当然，作为肩负寻找宇宙第一缕星光这一伟大使命的空间望远镜，韦布自不会是弱不禁风之辈，在其设计之初，早已预备好遭受来自恶劣太空环境中的急风骤雨了。在韦布的漫漫取经路上，来自太阳的紫外线、带电粒子，来自银河系的宇宙射线以及来自太阳系内的馈赠——微陨石撞击等等，都将是它必经的劫难。因此，按照设计，韦布的镜头至少应该能够抵御日地L2轨道上高速飞行的尘埃大小的粒子轰击[2]。

韦布空间望远镜发射前，其科学团队还构建了微陨石模型，计算模拟微陨石环境对于铍反射镜的影响，发现其影响可以忽略不计。毕竟，在2003 年发射的前辈斯皮策空间望远镜上，同样有一个暴露的低温铍镜，斯皮策能够在微陨石遍布的太空中安然无恙地遨游近20年，无疑为韦布空间望远镜树立了信心。根据测算，韦布空间望远镜每个月大概会遭遇到一次微陨石撞击，与韦布升空半年来的遭遇相符。

相对应的，平均每个反射镜的波前误差累积下来，六年内应该不超过16纳米。波前误差，是衡量望远镜的主反射镜性能的重要参数，可以评估星光经由望远镜的变形程度。在韦布长达半年的试运行期间，其中5次微陨石碰撞事件总体贡献了不到1纳米的波前误差，但5月份的这次单颗微陨石撞击强度却大大超过了地面模拟时的测试范围，造成了超乎于平均水平10倍的波前误差。目前，韦布空间望远镜的波前误差均方根（rms）最佳理想值，已由50纳米升至59纳米[1]。

所幸，此次撞击对于韦布空间望远镜的总体性能似乎影响不大，毕竟只有C3镜头的一小部分区域受损，其它17个镜像部分仍然完好无缺。而且，根据韦布空间望远镜的设计，它能够通过调整子镜的排列方式，校正部分影响，消除失真，弥补（大部分）镜片退化的影响。比如此次微陨石事件中受影响的C3镜片，就经历了额外的镜像调整、修正，现下的波前误差有效值仅仅增加了5-10纳米。一般来说，考虑到望远镜的漂移和稳定性，正常进行科学观测的波前误差均方根约为60-80纳米间，若叠加考虑其它科学仪器的综合影响，典型的波前误差均方根可达70-130纳米[1]。因此，此次撞击导致的轻微镜片退化影响较小。

韦布科学组已初步评估了望远镜的科学表现，认定其性能仍远超预期，应当能够完成既定的科学任务。但问题是，在韦布望远镜漫长的太空生命周期中，撞击必将持续发生，其主镜性能退化的最大不确定性仍来自于微陨石的长期影响。换而言之，韦布能否承受住多少次同等规模的高能撞击？目前，尚不清楚2022年5月单颗微陨石对C3反射镜的高能撞击是否为罕见的偶发性事件，毕竟在统计上评估，类似的高能撞击频次应该是几年一次的概率。若非偶发性事件，那么针对韦布空间望远镜发射前所进行的微陨石撞击模拟实验考虑定有不周。或者，真实的太空环境可能比人类设想的微陨石背景要恶劣的多，对韦布空间望远镜的伤害也要严重的多。

鉴于此，韦布工作组还专门组建了一个工程师团队，与美国宇航局马歇尔太空飞行中心的微陨石专家们一起，对太空中的微陨石背景进行重新的考量和建模。针对类似C3镜片撞击受损事件，通过评估高能危险性微陨石的数目，可以更为全面地判断其对铍镜的长期影响。另一方面，韦布也在试图寻求降低高能微陨石撞击频次的潜在方法，制定躲避策略，比如，通过限制镜头方向来躲避迎面而来的微陨石，尽量避免（相对高速）轨道方向的正面遭遇。此外，由于近红外相机（NIRCam）瞳孔成像镜头的初步成像对冲击情况很敏感，其敏感度往往甚至低于波前传感的可检测阈值，因此常规的瞳孔成像监测也将有助于抑制微陨石的命中率。

不过正所谓祸兮福所倚，韦布庞大的体积虽然极易成为太空中的活靶子，但其极高的灵敏度何尝不是一个理想的微陨石探测器。随着碰撞数据的累积，未来，也许我们不仅能够更精准地预测望远镜性能的变化，还能更清楚地了解日地L2点周围的尘埃粒子环境。如果机智的科学家们还能更进一步，据此开发出全新的操作策略，最大限度地保障韦布空间望远镜的成像性能，无疑将为当下和未来的科学探索清扫出一条康庄大道。

与哈雷相遇？

当然，那些美好愿景都是后话，很快，韦布空间望远镜将面临一场未知的考验。根据轨迹分析，2023至2024年间，韦布将穿越哈雷彗星的尾迹，虽然据说微陨石专家们正在密切关注韦布未来可能的碰撞风险[3]，但碰或不碰，这是个问题。

根据燃料的使用情况，韦布望远镜预计可为人类的好奇心发光发热20年。不过，除了韦布的反射镜和遮阳板会因微陨石的撞击而慢慢退化外，它的探测器也会因带电粒子的累积而缓慢受损，遮阳板和多层隔热层将因空间风化而退化，等等诸多因素。所以，目前还不能明确韦布空间望远镜的最终服役时长。从早期宇宙到星系演化，从恒星形成到地外生命，韦布的漫漫求索途任重而道远，愿韦布前路通达，也祝我们宇宙探秘之旅得偿所愿！

致谢：

感谢中国科学院国家天文台空间天文与技术重点实验室、中国科学院大学天文与空间科学学院张臣老师、杨雪同学的文献建议。

参考文献

[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

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