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這兩天天文界出了件大喜事——韋布望遠鏡拍攝的首批照片，終于上線刷屏啦！這些照片哪兒哪兒都有，這里就不多說了，咱們今天重點講講這架超級望遠鏡的黑歷史，沒錯，它不僅是鴿子王，吞金獸，還是能嚇死項目經(jīng)理的經(jīng)典（不那么正面的）教材……

想象一下，你有個朋友，約你一起出去看星星，結果今天說望遠鏡沒準備好，明天說家里有點事，后天說沒錢給車加油了……對這么愛放別人鴿子爽約的人，我們早就友盡了。但天文界里就有這么一位傳奇，一鴿再鴿叒鴿了14年多，卻仍然讓人又愛又恨還充滿了期盼……

它就是傳說中詹姆斯·韋布太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST），這架太空望遠鏡于1996年立項時，目標是2007年上天。然而它經(jīng)歷了不斷的拖延、追加經(jīng)費、乃至幾乎流產(chǎn)等一系列折騰，活活拖了14年。2021年12月22日（好像）真要出發(fā)了（才怪，一直拖到12月25日才發(fā)射）！

只要搜索韋伯望遠鏡，就會發(fā)現(xiàn)關于它的新聞全是又雙叒叕延期了……

韋布望遠鏡究竟有什么了不起的使命？又為何會一再放鴿子呢？

01

想拍宇宙“嬰兒照”？先把韋布送上天

韋布望遠鏡的名字，來自領導過阿波羅登月計劃的NASA第二任局長詹姆斯·韋布（James Webb），但它最初的名字是“下一代太空望遠鏡”（Next Generation Space Telescope），這里的“下一代”是相對哈勃太空望遠鏡而言的——它的官方定位是哈勃繼任者。過去它一直叫韋伯望遠鏡，后來標準譯名才變成了“韋布”。

韋布望遠鏡的主要任務，是要比哈勃看到更深更遠的宇宙深空，追溯宇宙在132億年以前、剛剛形成初代恒星和星系時的嬰兒期相貌。它的觀測結果，將為宇宙的早期演化史提供重要數(shù)據(jù)。

韋布望遠鏡的成像原理示意圖 來自NASA

那么，為什么看得更深更遠這么重要呢？

因為光的傳播需要時間。比如你現(xiàn)在看到的其實是1納秒前的手機屏幕，舉頭望明月看到的則是1秒前的月亮、長安白日照春空的陽光是500秒前從太陽表面出發(fā)的。而架起天文望遠鏡，你將看到是102個月前的天狼星、1340年前的獵戶座大星云、250萬年前的仙女座大星系……總之，視線越遠，看到的景象就越古老。

所以，韋布望遠鏡給宇宙小時候拍照片的原理很“簡單”：使勁往遠處看就是了。

可是，宇宙空間在不斷地膨脹。初代恒星的星光，出發(fā)時還是紫外線和可見光，百億年后到達地球時，已經(jīng)被宇宙膨脹“抻”成了橙紅色光和紅外線。當研究近處孕育的新恒星時，能從星云塵埃中跑出來報信的，也是波長較長、衍射能力較強的紅外線。所以，韋布在0.6~28微米的波段工作，正好適合觀測這些紅外線。

上面這一大段沒看明白沒關系，看一下對比圖就清楚了，右圖中使用紅外線波段觀測，弱化了干擾，明顯能比左圖看到更多更清晰的星星。

可見光和紅外線波段的觀測對比，紅外線能“透過”星云照射出來

可能有人會說，那你把望遠鏡建在地球上不行嗎？何必費那么大勁送上天？

原因有兩點：吸收和干擾。

一方面，地球大氣層能夠吸收紅外線，某些波段的紅外線根本就進不來。而從時空盡頭遠道而來的紅外線，本已奄奄一息，經(jīng)過大氣過濾后，更是缺斤少兩。另一方面，紅外輻射無處不在，溫暖的地球大氣，本身就是巨大的紅外干擾源，這些都會使望遠鏡在紅外線波段無法很好地觀測。

因而，在地面上可沒法好好研究宇宙最深處傳來的紅外線。哪怕是那些最強大的地面望遠鏡們，如中國“天眼”FAST、甚大天線陣VLA，在建的歐洲極大望遠鏡E-ELT，都不適合做這方面的研究。

地球大氣層在各波長的透光率，波谷就是被吸收掉了

怎么辦？沖出大氣層，到太空中去，離這些阻礙越遠越好！

那么，用我們熟悉的哈勃望遠鏡舉例，它夠不夠遠呢？不但不夠而且很不合適。

哈勃在540公里的高度繞地飛行，這里依然有稀薄的大氣，并且無法逃避紅外烘烤——當飛到白晝區(qū)時，如果扭頭不看太陽，就躲不開地球那張明晃晃的大臉——被照亮的望遠鏡本身也會制造紅外輻射干擾。好在，哈勃不用太在意，是因為它主要工作在紫外和可見光波段。

而主打紅外觀測的韋布可不能在這種環(huán)境下工作，因此它的的最終選址，是日地拉格朗日點L2，L2處于地球軌道外圍，距地150萬公里（地月距離的4倍）。在這里，韋布望遠鏡能和地球以相同的周期，并駕齊驅(qū)繞日公轉。

韋布望遠鏡軌道示意圖 來自NASA

這里沒有大氣，而且太陽、地球、月球這些干擾源都在同一方向，只要把這個方向擋住，就能夠心無旁騖地靜聽宇宙深處傳來的第一聲嬰啼。

飄蕩在L2的韋布望遠鏡效果圖，太陽、地球、月球永遠被遮擋在同一方向

02

工欲善其事？堆滿黑科技

不過，就算把韋布送上了天，如果這望遠鏡自身配置不夠強大，那也是白搭，韋布望遠鏡就堆了一身的好東西，那么都有哪些呢？

接著上文擋光的事繼續(xù)說，韋布望遠鏡并非固定在L2上，而是圍繞L2畫圈飄蕩（如下圖所示）。

韋布望遠鏡軌道示意圖 來自NASA

為了把各個可能角度的陽光遮擋嚴實，韋布望遠鏡配備了一個巨型遮光罩。它大致是個菱形大風箏形狀，長徑21米，短徑14米，面積堪比一個網(wǎng)球場。這個遮光罩共有五層鍍鋁（前兩層摻雜硅）的聚酰亞胺膜，每層膜薄如辦公用的透明膠帶，并且互相分離。

遮光罩的等尺寸測試件 來自NASA

這是因為，在多層膜之間，熱量只能通過輻射傳遞，最終呈指數(shù)衰減。測試數(shù)據(jù)表明，遮光罩的陽面接受300千瓦的輻射功率時，陰面只有23毫瓦的輸出，這樣的性能，足以在受光面溫度高達85℃時，保證背陰面的望遠鏡穩(wěn)定在-233℃以下“暗中觀察”，窺探宇宙誕生的秘密。

真·暗中觀察，左圖來自NASA

觀測點選好了，太陽光擋上了。解決了信號干擾問題，還有個大問題有待解決。

觀測的波長越長，需要的鏡面就越大，地球上那些動不動直徑幾百米的巨物就是如此。為了更好地觀測紅外線，韋布望遠鏡需要一個比哈勃更大的鏡面。

韋布望遠鏡和哈勃望遠鏡的主鏡面尺寸對比 來自NASA

哈勃的主鏡直徑都已經(jīng)有2.4米，高過姚明了，而韋布的主鏡直徑有6.5米，大約有兩層樓高。這面巨鏡的性能相當卓越：在2微米的紅外波段，韋布的分辨力可達0.1角秒，相當于能在80公里外看到一個乒乓球。這讓韋布能看到比哈勃觀測極限還要暗幾十倍的天體，是人類肉眼觀測極限的100億倍。

一個人類和韋布、哈勃合影（左起第一位是韋布）來自NASA

有趣的是，韋布的大鏡子面積是哈勃的6.25倍，但竟然比哈勃的還要輕（625千克VS 1000千克）。這里又有高科技了：哈勃的鏡板用的是玻璃，密度是2.5克每立方厘米，而韋布的鏡板更輕薄，用的是金屬鈹，密度只有1.85克每立方厘米，這樣單位面積的鏡板的質(zhì)量只有哈勃的10%。鈹除了夠輕，夠硬，更重要的是在望遠鏡所在的極冷環(huán)境下，形狀比玻璃的還穩(wěn)定。美中不足是它顏色灰暗，反射率不佳，所以人們在鈹鏡面上鍍了一層0.1微米厚的金——完美。

鍍金鏡面，眼見為實 來自NASA

最后，我們該如何把兩層樓高的主鏡面、外加一個網(wǎng)球場大小的遮光罩送上太空呢？

顯然只有層層折疊后塞進火箭，到了太空再展開了。因此韋布的主鏡不是鈹板一塊，而是由18面正六邊形小鏡拼接成的。為了使展開后的主鏡精準對焦，每塊小鏡的微調(diào)系統(tǒng)要求5納米的步進精度。展開遮光罩是個更加復雜的任務，需要大約7000個零件協(xié)同工作，才能把5層薄膜展開、鋪平、繃緊、隔離。

韋布折起來以后就成這樣了 來自NASA

03

放鴿子，只因我高（科技）貴（燒錢）

說完韋布望遠鏡的主要任務和大致設計，就能解釋這臺強力又復雜的望遠鏡為何會成為“鴿王”了。

沒別的，就是“腦洞一時爽，執(zhí)行火葬場”再加上“別看初始預算低，追加坑你沒商量?！?/p>

首先就是想法太超前，對科技水平要求太高。

回到1996年，當NASA硬著頭皮立項時，甚至還不太清楚這么一臺望遠鏡該怎么造。因為許多相關科技領域，諸如材料學、精密加工、自動控制、冷卻技術，還沒有完全就位。

例如，前文提到的鈹質(zhì)主鏡，2001年底才拿到預研演示數(shù)據(jù)。由于技術上的重重難關，直到2007年，也就是韋布望遠鏡最初預定的發(fā)射年，與之相關的10個重大技術點才剛粗略排除了風險。更何況，除了造望遠鏡本身，將這么個大家伙打包，準確地送到拉格朗日點L2，本身就是個艱巨的技術挑戰(zhàn)。

韋布打包示意圖 來自NASA

曠日持久攻克大量技術難題，帶來的后果就是預算爆炸。

這臺望遠鏡，到2010年才完成關鍵技術的方案評審，過審后的項目預算已經(jīng)從最初的5億美元，暴漲到了65億。2011年7月，美國國會失去耐心，威脅撤資。幸運的是，11月時，國會息怒了，又加了些銀子，預算漲到了88億美元——這個錢差不多都夠造兩艘核動力航母了。這場風波過后，項目才到了最終設計制造階段。

接下來就是設計、制造和測試的漫長循環(huán)。之所以漫長，是因為這望遠鏡部署在150萬公里外的拉格朗日點，一旦出現(xiàn)故障，根本無法派人前去維修——這可不像近處的哈勃望遠鏡，升空后發(fā)現(xiàn)對焦不好，還能叫個航天飛機登門“配眼鏡”——所以，韋布望遠鏡必須在地面上反復調(diào)試，確保萬無一失。

如果順利的話，韋布將會如此展開 來自NASA

但所謂夜長夢多，時間拖了這么久，意外也層出不窮，比如2018年的延期，就是因為試展遮光罩時發(fā)生了撕裂，這一延就是兩年。再往后，就是五花八門的倒霉事了：新冠肺炎大流行、火箭沒準備好……甚至鏡體都快入艙了，竟然還能因為固定帶意外解綁、再鴿4天……

最終，這項目總花費接近100億美元。由于它失控的預算，許多其他科研項目籌不到經(jīng)費，無法開展。業(yè)界對它頗有怨念，比如自然雜志就曾批評韋布望遠鏡“吃掉了天文學”。

《吃掉了天文學的天文望遠鏡》《自然》2010年10月

不過不管怎樣，既然天文學已經(jīng)被韋布吃掉了，那它就得負責啊！我們還是祝詹姆斯·韋布太空望遠鏡好運吧！愿這件凝聚人類前沿科技的結晶如期順利升空，在今后十年的任務工作順利，收獲滿滿！

韋布加油！原圖來自NASA

番外篇：花了100個億，這次能找到外星人嗎？

可能很多朋友最感興趣的問題，還是這么奇妙的一臺太空望遠鏡能幫助人類找到外星人嗎？

找外星人，可以從尋找宜居系外行星入手，而尋找這類行星是另一臺太空望遠鏡——TESS的術業(yè)專攻，不是韋布的主業(yè)。但韋布還真有能力做這件事！

對于較近的恒星，韋布的超強分辨力可以直接看到它身邊的大行星，或者正在吸積成形的行星的熾熱星胚。假如行星有從其母星身前經(jīng)過的機會，韋布可以分析它對恒星光譜造成的變化，判斷其大氣成分，尋找生命的線索。

韋布望遠鏡也能自如地觀測太陽系內(nèi)的地外行星和各色小天體，包括衛(wèi)星、彗星、小行星、矮行星、柯伊伯帶，以進一步研究太陽系的形成演化歷史。

我們并不奢望韋布在初代恒星身邊發(fā)現(xiàn)行星。它們太遙遠了，實在看不到它們身邊的小天體。另外，按照“大爆炸”理論的時間線，初代恒星的身邊還沒有足夠的重元素來構造有堅實地面的行星。

總之，只能說韋布望遠鏡有發(fā)現(xiàn)生命蹤跡的實力，但至于能不能真的發(fā)現(xiàn)外星人的蹤跡，那恐怕還得看運氣了。

作者 | 曲 炯 科普作家 作品發(fā)表于國家博物館、國家航天局等

審核 | 劉 茜 北京天文館研究員 科普影片編導和科普作家

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