【簡(jiǎn)介：】韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射
韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射，詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡有兩大主要任務(wù)，一個(gè)是觀測(cè)宇宙的邊緣，另一個(gè)是尋找圍繞恒星運(yùn)行的行星。

韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射

韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射，詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡有兩大主要任務(wù)，一個(gè)是觀測(cè)宇宙的邊緣，另一個(gè)是尋找圍繞恒星運(yùn)行的行星。韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射。

韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射1 剛剛，詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST，根據(jù)國(guó)家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心，其標(biāo)準(zhǔn)譯名為“韋布空間望遠(yuǎn)鏡”）發(fā)射升空。號(hào)稱世界上最可靠的重型運(yùn)載火箭之一的阿麗亞娜5型火箭（Ariane 5）徐徐升起，借助法屬圭亞那庫魯航天中心低緯度帶來的高自轉(zhuǎn)速度，載著JWST飛向?qū)儆谒奶铡?/p>

隨著JWST一起上升的，還有無數(shù)天文學(xué)家、天文愛好者激動(dòng)的心情。JWST的發(fā)射時(shí)間從2007年一直拖延到現(xiàn)在，近百億美元的耗費(fèi)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于當(dāng)時(shí)5億美元的預(yù)期。對(duì)不少讀者而言，“詹姆斯?韋伯”這個(gè)名字似乎很早就在記憶中出現(xiàn)過了。JWST的建設(shè)也的確算得上一場(chǎng)漫長(zhǎng)的征途。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）是1990年發(fā)射的，但在美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所（Space Telescope Science Institute，STScI），對(duì)哈勃繼任者的討論從1 989年就已經(jīng)展開了。1996年，他們認(rèn)為下一代望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該是主鏡直徑4米以上的紅外望遠(yuǎn)鏡。2002年選定科學(xué)團(tuán)隊(duì)，2004年開始建造，2005年選定發(fā)射場(chǎng)，2011年18片主鏡制造完畢，2013年開始制造遮陽板，2015年組裝光學(xué)組件，2017年進(jìn)行測(cè)試，2018年整體組裝測(cè)試，最終在2021年發(fā)射。但對(duì)那些一直在等待的人來說，這一切都是值得的，JWST夸張的參數(shù)也足以讓它配得上哈勃繼任者的稱號(hào)。

哈勃繼任者

JWST主鏡口徑達(dá)到6.5米，由18片鈹鏡片拼接而成，每片直徑1.32米，僅重20千克。選用金屬鈹為主鏡材料，是因?yàn)殁斮|(zhì)量較輕且強(qiáng)度較大，并且在低溫環(huán)境下仍能保持形狀。一般的鏡子應(yīng)該能完全還原物體原本的顏色，但JWST的鏡片明顯是黃色的，這是因?yàn)樗阽R面上鍍了700個(gè)原子厚的金，這樣能提高鏡片對(duì)紅外線的反射能力，JWST主要觀測(cè)的就是紅外線。嚴(yán)格來說，JWST觀測(cè)的波長(zhǎng)范圍從橙色的600納米一直延伸到遠(yuǎn)紅外的28.5微米。

JWST和哈勃，斯皮策觀測(cè)波段的對(duì)比（圖片來源：webb space telescope media kit/NASA）

觀測(cè)紅外線是件麻煩事，因?yàn)楹隗w輻射，所有300開爾文左右的物體都在發(fā)射紅外線。所以必須對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行冷卻。在太陽系內(nèi)，最大的熱源就是太陽，必須把主鏡和太陽隔絕開來，于是科學(xué)家為JWST設(shè)計(jì)了5層遮陽板，每層大小約為21米×14米，厚度卻僅有幾十微米：最外側(cè)為50微米，其余4層為25微米。面向太陽的一側(cè)，遮陽板溫度高達(dá)125℃，而主鏡一側(cè)的溫度可以低到-235℃。按常見防曬產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)來算，這5層遮陽板的SPF系數(shù)高達(dá)100萬，能將太陽輻射的影響降到原來的百萬分之一。

之所以要克服這么多困難在紅外波段觀測(cè)，是因?yàn)閬碜栽缙谟钪娴墓庠诮?jīng)過百億年的紅移后，早就變成了紅外線。在波長(zhǎng)相同的情況下，望遠(yuǎn)鏡口徑越大，空間分辨率也就越高，在光學(xué)波段，JWST的分辨率高達(dá)0.1角秒；6.5米的口徑同時(shí)帶來了前所未有的靈敏度，理論上，它能探測(cè)到地月距離那么遠(yuǎn)的一只大黃蜂的發(fā)出的紅外線。除了傳統(tǒng)的相機(jī)，JWST還搭載了光譜儀和星冕儀，能讓它獲得更多科學(xué)數(shù)據(jù)。為了到達(dá)拉格朗日點(diǎn)L2點(diǎn)附近避開地球、月球光線的干涉，獲得最優(yōu)的觀測(cè)環(huán)境，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的重量被限制到了6.2噸，和一輛中巴車相當(dāng)。

可折疊望遠(yuǎn)鏡

當(dāng)然，想把望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到天上，僅僅減輕重量是不夠的，沒有火箭能裝得下這么大的結(jié)構(gòu)，JWST必須是可折疊的，這帶來了更多困難。JWST的主鏡、副鏡、5層遮陽板，還有老生常談的太陽能板，都是可折疊的。

JWST折疊放置在阿麗亞娜5整流罩中的示意圖（圖片來源：webb space telescope media kit/NASA）

從打包狀態(tài)到完全展開是一個(gè)復(fù)雜的過程。發(fā)射不久后，JWST就會(huì)打開太陽能板獲取能量。在這之后，JWST還會(huì)修正幾次軌道，因?yàn)榘Ⅺ悂喣?并不能直接把它送到L2點(diǎn)附近軌道，那樣會(huì)將望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)組件暴露在陽光下造成損害。在發(fā)射2.5天后，JWST展開兩個(gè)遮陽板支架，然后望遠(yuǎn)鏡的可展開塔組件（Deployable Tower Assembly）會(huì)展開，將JWST的光學(xué)部分和其他部分分離開來，為5層遮陽板提供空間。全部5層遮陽板會(huì)在發(fā)射后一周內(nèi)展開。副鏡和主鏡會(huì)在第二周內(nèi)展開。發(fā)射29天后，JWST將進(jìn)行最后一次機(jī)動(dòng)，駛?cè)隠2點(diǎn)軌道，該軌道在月球軌道之外，距地球大約150萬公里，在地球引力的幫助下，JWST將繞著太陽一起旋轉(zhuǎn)。

在那之后，JWST仍不能開始工作，它要開始漫長(zhǎng)的冷卻。遮陽板的暗面大約會(huì)在那之后3周冷卻到40開爾文左右，而JWST的MIRI設(shè)備還需要額外制冷劑冷卻到7開爾文。在那之后望遠(yuǎn)鏡將會(huì)對(duì)變形過程中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，主鏡和副鏡會(huì)在發(fā)射4個(gè)月后完成調(diào)試，那時(shí)它們位置排列的誤差會(huì)小于觀測(cè)波長(zhǎng)，僅有幾納米。在經(jīng)過幾個(gè)月的調(diào)試、測(cè)試后，JWST將會(huì)在發(fā)射約半年后開始正式科學(xué)觀測(cè)，為我們揭開宇宙早期的秘密。

科學(xué)目標(biāo)

JWST能幫人類尋找宇宙中第一批形成的星系，揭開宇宙黑暗時(shí)代之后再電離時(shí)代的秘密。因?yàn)榧t移的作用，在宇宙中選擇不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行觀測(cè)，就好像坐上了時(shí)光機(jī)，JWST將觀測(cè)波長(zhǎng)縮短，就能觀測(cè)宇宙的不同階段，研究星系、恒星是如何在宇宙百億年的歷史中演化的。它還能幫我們分析地外行星的大氣成分，為太陽系中其他成員拍下更清晰的照片。

這些科學(xué)目標(biāo)聽上去似乎就是哈勃的工作，這也正是JWST被稱為哈勃繼任者的原因之一。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡革新了全人類對(duì)宇宙的認(rèn)知，為我們帶來了數(shù)不勝數(shù)的震撼照片，而JWST能看到更深的宇宙，能穿透茫茫的時(shí)空，將隱藏在宇宙塵埃背后的秘密悉數(shù)揭開。就像哈勃、開普勒、TESS這些為人類作出偉大貢獻(xiàn)的望遠(yuǎn)鏡一樣，JWST的數(shù)據(jù)將會(huì)存儲(chǔ)在米庫斯基空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)庫（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST）中，向全人類公開。

JWST復(fù)雜的結(jié)構(gòu)帶來的是前所未有的技術(shù)難度，北美和歐洲共14個(gè)國(guó)家的數(shù)千名科學(xué)家，工程師和技師，他們?yōu)镴WST忙碌的時(shí)間超過了4000萬小時(shí)，他們?cè)贘WST上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破更是數(shù)不勝數(shù)：熱開關(guān)，輕質(zhì)低溫鏡片，制冷技術(shù)，紅外傳感器……任意一個(gè)組件背后凝結(jié)的汗水都不可計(jì)數(shù)。

但復(fù)雜的結(jié)構(gòu)帶來的是極高的出錯(cuò)概率，在測(cè)試過程中，JWST被發(fā)現(xiàn)有344個(gè)點(diǎn)位可能出現(xiàn)故障。發(fā)射之后，JWST的軌道位于月球軌道之外，人類根本沒有對(duì)其進(jìn)行修復(fù)的可能。這也是為何面對(duì)JWST，所有人都是慎之又慎，這幾個(gè)月來JWST的發(fā)射時(shí)間也從12月初慢慢推遲到了圣誕節(jié)當(dāng)天。這是一個(gè)浪漫的巧合，因?yàn)閷?duì)那些熱愛星空的人來說，JWST就是最好的圣誕禮物。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 來源：NASA

“鴿”了14年

詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡以NASA早期管理人員之一詹姆斯?E?韋伯（James E. Webb）的名字命名，他在1960年代監(jiān)督了阿波羅計(jì)劃。早在2002年，差不多20年前，韋伯的名字就首次被用于下一代太空望遠(yuǎn)鏡，這個(gè)計(jì)劃最初預(yù)算為5億美元，并準(zhǔn)備在2007年發(fā)射。但由于各種原因，2019年8月28日才組裝完畢，升空日期一直“鴿”到了14年后的今天，比這臺(tái)紅外線空間望遠(yuǎn)鏡的預(yù)計(jì)壽命還要長(zhǎng)。原先，“韋伯”的預(yù)算費(fèi)用是5億美元，現(xiàn)在已經(jīng)花了96.6億美元，四舍五入就是100個(gè)億，項(xiàng)目嚴(yán)重超支，堪稱不折不扣的“鴿王”。

1、按最初計(jì)劃，韋伯望遠(yuǎn)鏡本應(yīng)在2014年升空，但后因預(yù)算等問題推遲。

2、2017年9月，美國(guó)航天局表示，詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射窗口將從2018年的10月推遲至2019年的3月至6月之間。聲明解釋說，韋伯望遠(yuǎn)鏡及其遮光板的體積和復(fù)雜性超過多數(shù)探測(cè)器，比如僅遮光板釋放設(shè)備就要安裝100多個(gè)，振動(dòng)測(cè)試也要用更長(zhǎng)時(shí)間，所以推遲到2019年春季從法屬圭亞那庫魯航天中心用歐洲的阿麗亞娜5型火箭發(fā)射升空。

3、2018年3月28日，美國(guó)航空航天局再次宣布韋伯在2020年之前不會(huì)發(fā)射升空。

4、2018年5月6日，受一系列技術(shù)問題的困擾，JWST的最新發(fā)射日期已經(jīng)被推遲到2020年。

5、2018年6月29日，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，哈勃望遠(yuǎn)鏡的“接任者”詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡將推遲至最早2021年3月30日發(fā)射。

6、2021年10月12日，詹姆斯?韋伯空間望遠(yuǎn)鏡成功抵達(dá)位于南美洲的法屬圭亞那，計(jì)劃12月18日在歐洲航天局阿麗亞娜5號(hào)火箭上發(fā)射升空。

7、2021年11月22日，NASA再次宣布詹姆斯 ? 韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時(shí)間從12月18日推遲到了22日。

8、2021年12月15日，由于需要解決韋伯望遠(yuǎn)鏡和阿麗亞娜五火箭之間的通訊問題，發(fā)射推遲不早于12月24日（來來回回好像有兩次）。

9、2021年12月22日，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡JWST通過發(fā)射準(zhǔn)備評(píng)審，但是，由于天氣原因，發(fā)射推遲到12月25日。

韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射2 2021年12月25號(hào)，晚7:20，詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那庫魯航天中心，由阿里亞娜火箭發(fā)射升空。

韋伯望遠(yuǎn)鏡，在推遲了N次發(fā)射以后，終于升空了。

這個(gè)望遠(yuǎn)鏡實(shí)在是太難搞了，研制復(fù)雜，組裝復(fù)雜，軌道維持都不容易。

望遠(yuǎn)鏡最重要的兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)就是看得清楚，還有一個(gè)就是看得遠(yuǎn)。

但是呢，測(cè)量距離要兩個(gè)點(diǎn)三角測(cè)量，望遠(yuǎn)鏡一個(gè)點(diǎn)沒有辦法分辨物體的遠(yuǎn)近，只能看到一個(gè)視張角。

就比如說，太陽跟地球的距離是1.5億公里，但是月亮距離地球只有38萬公里，兩個(gè)看起來是一樣大，就是因?yàn)橐晱埥鞘且粯拥摹?/p>

用視張角表示的望遠(yuǎn)鏡分辨率，又被稱為角分辨率。

哈勃望遠(yuǎn)鏡，它的角分辨率就是50角秒。

望遠(yuǎn)鏡的角分辨率。

望遠(yuǎn)鏡的角主要是望遠(yuǎn)鏡的口徑所決定的。

在科學(xué)計(jì)量上，角度的劃分是這樣的，一個(gè)圓周360角度，1角度等于60角分，1角分等于60角秒，1角秒等于1000毫角秒。

天文學(xué)家用來計(jì)算望遠(yuǎn)鏡分辨率的道斯極限公式，R=11.6/D。

11.6是一個(gè)和觀測(cè)光線波長(zhǎng)有關(guān)的值，R是角分辨率，單位是角秒；D是望遠(yuǎn)鏡鏡頭直徑，單位為厘米。

韋伯望遠(yuǎn)鏡主鏡張開直徑有6.5米，如果按照這個(gè)公式，比哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨率要高了三倍。

但是，實(shí)際上望遠(yuǎn)鏡的光線聚焦方式，也會(huì)影響望遠(yuǎn)鏡的清晰度。

為什么詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)得很奇怪，像一把大傘？

我們知道，光線聚焦有兩種方式，一種就是通過透鏡來折射，還有一種是通過鏡片反光聚焦。

所以望遠(yuǎn)鏡分成折射式望遠(yuǎn)鏡，以及反射式望遠(yuǎn)鏡。

折射式望遠(yuǎn)鏡，鏡片有一定厚度，對(duì)光線有一定的衰減，所以對(duì)清晰度有影響。

反射式望遠(yuǎn)鏡不會(huì)造成光線的衰減，是比折射式望遠(yuǎn)鏡更好的一種望遠(yuǎn)鏡。

詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡就是一個(gè)反射視望遠(yuǎn)鏡，它張開以后像那個(gè)傘面一樣的，就是它的反射鏡。

屢次推遲發(fā)射到底是為什么？

詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡從1996年開始研制，原定于2007年發(fā)射。

因?yàn)檎麄€(gè)研制過程太復(fù)雜了，中間出了很多問題，所以一直推遲到現(xiàn)在。

原定研制計(jì)劃預(yù)算是5億美元，后來屢次增加投資，最終完成時(shí)耗資96億美元。

為了降低望遠(yuǎn)鏡主體的重量，它的主反射鏡使用的材料是金屬鈹。

為了完美反射光線，拋光精度要達(dá)到10納米。而且為了控制主鏡在工作時(shí)產(chǎn)生的畸變，在主鏡的背后還有7個(gè)電子儀器來測(cè)量、調(diào)控組鏡的曲率。

鈹?shù)膬r(jià)格非常昂貴而且有劇毒，所以在制造的過程中必須有防護(hù)，而且要非常仔細(xì)操作。

但鈹?shù)奈锢硇再|(zhì)很好，密度只有1.85，比強(qiáng)度是所有金屬材料中最高的。比強(qiáng)度的排名來說，鈹?shù)谝?，其次才是鈦，再次才是鋁，最后才是鋼。

為了把這個(gè)反射鏡裝進(jìn)衛(wèi)星的整流罩里，設(shè)計(jì)成了18塊可以折疊的形式，到太空中以后再張開。

但是在地面上的時(shí)候它是18塊分開測(cè)試的，由于沒有辦法完全模擬在太空中展開的情況，所以這個(gè)測(cè)試也用了很久。

原定今年10月份就要發(fā)射的，后來屢次推遲。

原因就是這次發(fā)射必須慎之又慎，必須一次性成功，如果再出問題就沒有辦法維修了。

詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡定點(diǎn)位置在地球和太陽之間的拉格朗日二點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)距離地球有150萬公里。

哈勃望遠(yuǎn)鏡就是因?yàn)槌隽它c(diǎn)問題，第1次發(fā)射到太空上的時(shí)候，看星星是模糊的，變成了一個(gè)近視眼。

后來派航天飛機(jī)去修了幾次，才把它修好，但是哈勃望遠(yuǎn)鏡距離地球只有570公里。

載人宇宙飛船目前還沒有辦法飛到距離地球150萬公里的地方。

為什么要距離地球這么遠(yuǎn)？

詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡有兩大主要任務(wù)，一個(gè)是觀測(cè)宇宙的邊緣，另一個(gè)是尋找圍繞恒星運(yùn)行的行星。

這兩個(gè)觀測(cè)任務(wù)都是在尋找比較暗的光線，也就是說在紅外波段的光線，為了收集到更多紅外光線，還在反射組件上面鍍了一層黃金，所以看起來是金黃金黃的。

我們知道在宇宙的邊緣，由于宇宙的高速擴(kuò)張，138億光年遠(yuǎn)的星系都在做遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離的速度已經(jīng)接近光速，星體發(fā)出來的光線因?yàn)榧t移的原因，變得非常的暗淡。

在宇宙的邊緣，隱藏著宇宙大爆炸不久后宇宙的真面目。

宇宙大爆炸到底是不是真的？還是只是人類的臆想？這是人類最想了解的內(nèi)容之一。

詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡，就肩負(fù)著揭開這個(gè)秘密的使命。

接收幽暗光線的儀器必須非常靈敏，而且要冷卻到接近于絕對(duì)零度。

所以，詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡必須遠(yuǎn)離地球這個(gè)熱源，同時(shí)還要屏蔽掉太陽的熱量，所以望遠(yuǎn)鏡的主體要躲在一個(gè)巨大的遮陽傘后面。

詹姆斯?韋伯望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段主要在0.6-28.3微米的頻段。采用了一系列先進(jìn)的措施以后，它的觀測(cè)精度可以達(dá)到10倍的哈勃望遠(yuǎn)鏡的精度。

望遠(yuǎn)鏡定點(diǎn)在拉格朗日2點(diǎn)，正好和地球同步圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，可以保持和地球恒定的通信距離。

圍繞拉格朗日二點(diǎn)的軌道也很特殊。

拉格朗日二點(diǎn)是一個(gè)不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，望遠(yuǎn)鏡只能圍繞拉格朗日二點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè)軌道被稱為暈軌道。

我們國(guó)家發(fā)射的嫦娥4號(hào)降落在月球背面，就是靠運(yùn)行在地球、月亮拉格朗日二點(diǎn)的鵲橋中繼衛(wèi)星，進(jìn)行中繼通信的。

鵲橋中繼衛(wèi)星也是在一條軌道上。

這個(gè)軌道是一個(gè)非常復(fù)雜的三維曲面，必須不停進(jìn)行軌道維持。

以前發(fā)射的所有望遠(yuǎn)鏡都不用做這么復(fù)雜的軌道維持。

所以，這100億美元一旦打出去，要么就是100%成功，要么就是打了水漂，所以慎之又慎。

用一句打牌時(shí)的術(shù)語，就是梭哈了，全靠這一把。

韋伯望遠(yuǎn)鏡鴿了14年后終于發(fā)射3 2021年12月25日，這注定是人類航天史的歷史性時(shí)刻――在推遲發(fā)射14年后，被人們稱為“鴿王”的詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，終于搭乘歐空局阿里安5-ECA火箭成功升空，開始了它前往150萬千米外“日-地拉格朗日2點(diǎn)”的旅途。

韋伯望遠(yuǎn)鏡升空（圖片來源：NASA）

迄今為止全世界最貴望遠(yuǎn)鏡，究竟有多貴？

20個(gè)國(guó)家持續(xù)25年的投入和數(shù)萬名科學(xué)家的傾力合作，造就了這個(gè)史上制造單價(jià)最貴的航天器。

有多貴？

目前，包括后續(xù)的運(yùn)營(yíng)和科研費(fèi)用，詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱為詹姆斯?韋伯）的總經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)已超過100億美元。

考慮到它的質(zhì)量?jī)H為6.5噸，也就意味著它的單價(jià)超過人民幣10000元/克，是黃金單價(jià)的20余倍！

詹姆斯?韋伯看起來猶如一艘太空戰(zhàn)艦（圖片來源：NASA）

詹姆斯?韋伯究竟有什么樣的特殊使命，能讓這么多國(guó)家傾注如此大的'人力、物力、財(cái)力在它上面？它又能為人類帶來什么呢？

貴有貴的道理――韋伯的觀測(cè)能力遠(yuǎn)超前輩

宇宙是個(gè)充斥著各種電磁波和高能粒子的喧鬧世界，那里既藏著遙遠(yuǎn)的歷史，也昭示著人類乃至太陽系的未來。

對(duì)于望遠(yuǎn)鏡來說，可見光到紅外線頻段是觀測(cè)的重點(diǎn)，尤其是追蹤宇宙大爆炸后殘留的紅外線，它們已經(jīng)在宇宙中傳播了138億年，蘊(yùn)藏著宇宙最初的奧秘。

然而，地球大氣層、磁場(chǎng)、人類活動(dòng)等因素，卻使得地球成了一個(gè)典型的“信息繭房”。在廣闊的電磁波頻段中，只有極小一部分能順利抵達(dá)地球表面并被望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，其他的則幾乎都被屏蔽在外。

從地球表面觀測(cè)電磁波的頻譜窗口透明度，真正的有效觀測(cè)的窗口極?。▓D片來源：維基百科）

解決這個(gè)問題的辦法只有一個(gè)：把望遠(yuǎn)鏡送出地球。

不同望遠(yuǎn)鏡的使命也不同，這次被送出地球的詹姆斯?韋伯的觀測(cè)波段主要集中于波長(zhǎng)為0.6-28.3微米的橙色光到紅外線頻段，它的更大口徑和一系列新技術(shù)帶來了遠(yuǎn)超前任哈勃、施皮茨、赫歇爾等知名太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力。

例如，它能夠看到更暗更古老的天體，甚至可以追蹤到宇宙中第一批星系形成的痕跡，投入工作后將會(huì)極大提升人類紅外天文學(xué)的相關(guān)研究。

前所未有的造價(jià)和劃時(shí)代的意義，也讓這個(gè)望遠(yuǎn)鏡“榮幸”地以NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）第二任局長(zhǎng)詹姆斯?韋伯命名。詹姆斯?韋伯于1961-1968年在任，領(lǐng)導(dǎo)了NASA最輝煌的階段。在這一時(shí)期，NASA曾獲得空前絕后的資金支持，不僅推動(dòng)了水星計(jì)劃、雙子座計(jì)劃、阿波羅登月計(jì)劃、先鋒計(jì)劃、水手/旅行者計(jì)劃等一系列大型項(xiàng)目的開展，也為美國(guó)在航空航天領(lǐng)域的人才技術(shù)優(yōu)勢(shì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

造價(jià)100億美元，這些錢都花在了哪里？

雖然100億美元看起來很多，但實(shí)際上對(duì)于研制詹姆斯?韋伯這樣的頂級(jí)望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目來說，并不能說非常寬裕，至少不是大家想象中的想怎么花就怎么花。沒辦法，前沿科學(xué)研究就是這么“燒錢”。

為了獲得更好的觀測(cè)能力，詹姆斯?韋伯在各項(xiàng)方面都進(jìn)行了升級(jí)、更新，可以說每筆錢都用在了刀刃上。

1、更大口徑的鏡片

光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡的核心是鏡片，其口徑與觀測(cè)能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望遠(yuǎn)鏡，詹姆斯?韋伯的鏡片口徑從2.4米提升到了6.5米，集光面積也從4.5平方米攀升到了25.4平方米。

需要注意的是，口徑增加帶來的整體難度和造價(jià)提升并不是線性增長(zhǎng)關(guān)系，光是這一項(xiàng)，就直接決定了詹姆斯?韋伯的預(yù)算遠(yuǎn)超哈勃。

人類、哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡和詹姆斯?韋伯主鏡的大小對(duì)比（圖片來源：NASA）

鏡片太大，幾乎很難整體制造，不僅失敗風(fēng)險(xiǎn)大、材料成本極高，也勢(shì)必帶來整體質(zhì)量和體積的攀升，甚至遠(yuǎn)超人類現(xiàn)有火箭的發(fā)射能力。因此，詹姆斯?韋伯的鏡面設(shè)計(jì)選擇了拼接方案，由18面一模一樣的六邊形組成，發(fā)射時(shí)折疊起來，進(jìn)入太空后再拼接到一起。

2、堪稱“鬼斧神工”的鏡面材料

詹姆斯?韋伯在制造、發(fā)射和工作時(shí)要面臨截然不同的溫度環(huán)境。特別是它的核心器件工作溫度已非常接近絕對(duì)零度，對(duì)鏡面材料的要求極高，因此需要同時(shí)具備抗彎剛度高、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、反射率高、密度低、溫度形變小、性質(zhì)不活潑等特點(diǎn)。

而在精度要求上，最后鏡片成型的制造加工精度要達(dá)到10納米級(jí)別，這個(gè)要求所允許的誤差相當(dāng)于一張A4紙厚度的萬分之一！而且在進(jìn)入太空后，整體拼接和鏡片姿態(tài)控制的精度也要達(dá)到同等水平。

綜合上述要求，詹姆斯?韋伯的鏡片主要材料選擇了堿土金屬鈹，10納米幾乎就是幾十個(gè)鈹原子并排擺在一起的寬度，這是接近“鬼斧神工”級(jí)別的制造加工工藝要求。

3、一把屏蔽熱量的“太陽傘”

遠(yuǎn)離地球，不代表能徹底擺脫地球的干擾，詹姆斯?韋伯還要面對(duì)太陽光和地球反射光/熱輻射的干擾。為此，它需要背上一個(gè)大大的“太陽傘”來屏蔽熱量，并使用主動(dòng)冷卻系統(tǒng)維持核心部件接近絕對(duì)零度的工作環(huán)境。

遮陽板總共有五層，都要精準(zhǔn)打開（圖片來源：NASA）

按照設(shè)計(jì)要求，這把傘需要提供300攝氏度以上的溫度屏蔽效果。這相當(dāng)于一面是高溫油炸，另一面卻是冰天雪地。它的每一層材料主要由聚酰亞胺、硅膜和鋁膜構(gòu)成，首層最厚也僅為50微米，比人類頭發(fā)絲直徑還小，而中間層僅為25微米。

更大的難度還在后面――這把“太陽傘”如何順利展開？

“太陽傘”每一層的面積約300平米，在發(fā)射時(shí)會(huì)被塞進(jìn)火箭里劇烈振動(dòng)，進(jìn)入太空后要在激光引導(dǎo)下讓100余個(gè)小型拖車帶著逐層展開。難度可想而知，這無疑是人類歷史上最厲害的一個(gè)遮陽板。

整體來看，詹姆斯?韋伯需要的都是最先進(jìn)的科技，且各種研發(fā)都是“孤品”，它既沒有備份，也不會(huì)量產(chǎn)，必須保證100%成功率。除此以外，還要經(jīng)過一系列極高成本的測(cè)試和維護(hù)。這些因素累加在一起，讓它的預(yù)算迅速攀升到了100億美元級(jí)別。

詹姆斯?韋伯的官方海報(bào)（圖片來源：NASA）

看似“咕咕咕”，其實(shí)是必須一次成功的魄力

我們都知道，哈勃望遠(yuǎn)鏡雖然遠(yuǎn)在太空中，但也僅離地球表面大約575公里，可以說“緊挨”著地球。那詹姆斯?韋伯為什么不能像哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣，在離地球近一些的地方工作呢？

這是因?yàn)榈厍蚝退械奈矬w一樣都是熱源，在源源不斷往外反射陽光和輻射紅外線，否則就會(huì)持續(xù)變暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空氣分子和星際塵埃，對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡依然有一定影響。對(duì)于更加精密的詹姆斯?韋伯來說，這些影響尤其明顯。所以，它必須想盡辦法遠(yuǎn)離它的誕生地――地球。

然而，“逃離”地球后，并非就萬事大吉了。進(jìn)入錯(cuò)綜紛繁的引力世界，航天器將受到太陽、地球、月球，乃至宇宙萬物的引力影響，這使得它的軌道很難穩(wěn)定下來。對(duì)于質(zhì)量和體積都很大的望遠(yuǎn)鏡而言，頻繁地通過發(fā)動(dòng)機(jī)工作維持軌道，不僅會(huì)導(dǎo)致發(fā)射時(shí)必須攜帶大量推進(jìn)劑，也會(huì)極大地影響觀測(cè)質(zhì)量。

因此，必須要在上述要求中找到一個(gè)平衡。權(quán)衡利弊后，科學(xué)家們選擇了日-地引力平衡的拉格朗日2點(diǎn)作為詹姆斯?韋伯的工作地點(diǎn)。這里距離地球150萬公里（月球距離地球不過38萬公里），遠(yuǎn)離了地球這個(gè)熱源和灰塵源的干擾，溫度也低達(dá)零下220攝氏度以下，可滿足望遠(yuǎn)鏡的整體工作溫度環(huán)境要求。此外，在“日-地拉格朗日2點(diǎn)”，太陽和地球兩大引力源和諧共處，共同牽引附近的航天器圍繞太陽穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，航天器所需要的軌道維持成本極低。

不過，這給詹姆斯?韋伯帶來了另一大挑戰(zhàn)：這么遠(yuǎn)的距離，一旦它出了任何問題，人類是不可能去維修的。這也意味著它變成了“一錘子買賣”，要求一次性成功，不能有任何失誤。

這和哈勃望遠(yuǎn)鏡形成了鮮明的對(duì)比。當(dāng)年哈勃升空后出現(xiàn)了一系列問題，于是在1993-2009年間，人類通過五次極其昂貴的航天飛機(jī)任務(wù)不斷維護(hù)并提升哈勃，才使得它獲得了今天舉世矚目的成就。

如今，航天飛機(jī)已經(jīng)徹底退役，人類也失去了在太空中維修大型航天器的能力。不過，即便航天飛機(jī)再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2點(diǎn)”。畢竟，哈勃的工作地點(diǎn)距地球不過幾百千米遠(yuǎn)，這和詹姆斯?韋伯與地球之間的150萬千米的距離，是完全不同的概念。

某種程度上，這也是詹姆斯?韋伯鴿了又鴿的重要原因――一旦發(fā)射，承受不起一點(diǎn)失誤。

為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，NASA總共進(jìn)行了六次航天飛機(jī)任務(wù)，付出了巨大代價(jià)（圖片來源：作者自制）

所以，對(duì)于負(fù)責(zé)火箭發(fā)射的歐空局而言，這次的成功毫無疑問是令人興奮的，發(fā)射團(tuán)隊(duì)緊繃了數(shù)年的神經(jīng)終于可以好好放松一下了。畢竟這是個(gè)100多億美元的“一錘子買賣”，背后有著無數(shù)人幾十年的努力付出。

在探索宇宙的路上，又邁出了新的一步

詹姆斯?韋伯的漫長(zhǎng)研發(fā)史，是人類最頂級(jí)智慧的結(jié)晶?，F(xiàn)在，它終于順利升空前往遙遠(yuǎn)的目標(biāo)工作地點(diǎn)。也許很多人會(huì)關(guān)注它的經(jīng)費(fèi)，感慨前沿科學(xué)研究的“燒錢”，但是，我們更應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，我們?yōu)榍把乜茖W(xué)付費(fèi)，其實(shí)是在為人類上下求索的決心與夢(mèng)想付費(fèi)，如此看來，這價(jià)格也不能說是昂貴。

未來，詹姆斯?韋伯會(huì)給人類帶來什么？可以預(yù)知的是，它能更容易探尋到宇宙的邊界和最初的奧秘；無法預(yù)測(cè)的是，科學(xué)家們將在它的數(shù)據(jù)里獲得何等驚人的發(fā)現(xiàn)。它是人類夢(mèng)想向宇宙深處的又一次延伸，是人類好奇心與探索精神的承載，是人類在探索世界的路上邁出的新的一步。讓我們祝福它遠(yuǎn)航的路上一切順利，期待它帶來新的發(fā)現(xiàn)與啟迪！