威力恐怖如斯的韋布望遠(yuǎn)鏡，竟然還有這段“黑歷史”

這兩天天文界出了件大喜事——韋布望遠(yuǎn)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(diǎn)講講這架超級(jí)望遠(yuǎn)鏡的黑歷史，沒錯(cuò)，它不僅是鴿子王，吞金獸，還是能嚇?biāo)理?xiàng)目經(jīng)理的經(jīng)典（不那么正面的）教材……

想象一下，你有個(gè)朋友，約你一起出去看星星，結(jié)果今天說望遠(yuǎn)鏡沒準(zhǔn)備好，明天說家里有點(diǎn)事，后天說沒錢給車加油了……對(duì)這么愛放別人鴿子爽約的人，我們?cè)缇陀驯M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(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, JWST），這架太空望遠(yuǎn)鏡于1996年立項(xiàng)時(shí)，目標(biāo)是2007年上天。然而它經(jīng)歷了不斷的拖延、追加經(jīng)費(fèi)、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(yuǎn)鏡，就會(huì)發(fā)現(xiàn)關(guān)于它的新聞全是又雙叒叕延期了……

韋布望遠(yuǎn)鏡究竟有什么了不起的使命？又為何會(huì)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(yuǎn)鏡的名字，來自領(lǐng)導(dǎo)過阿波羅登月計(jì)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(yuǎn)鏡”（Next Generation Space Telescope），這里的“下一代”是相對(duì)哈勃太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，后來標(biāo)準(zhǔn)譯名才變成了“韋布”。

韋布望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)，是要比哈勃看到更深更遠(yuǎn)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(shí)的嬰兒期相貌。它的觀測(cè)結(jié)果，將為宇宙的早期演化史提供重要數(shù)據(jù)。

韋布望遠(yuǎn)鏡的成像原理示意圖 來自NASA

那么，為什么看得更深更遠(yuǎn)這么重要呢？

因?yàn)楣獾膫鞑バ枰獣r(shí)間。比如你現(xiàn)在看到的其實(shí)是1納秒前的手機(jī)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(yuǎn)鏡，你將看到是102個(gè)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(yuǎn)，看到的景象就越古老。

所以，韋布望遠(yuǎn)鏡給宇宙小時(shí)候拍照片的原理很“簡單”：使勁往遠(yuǎn)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(shí)還是紫外線和可見光，百億年后到達(dá)地球時(shí)，已經(jīng)被宇宙膨脹“抻”成了橙紅色光和紅外線。當(dāng)研究近處孕育的新恒星時(shí)，能從星云塵埃中跑出來報(bào)信的，也是波長較長、衍射能力較強(qiáng)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(cè)這些紅外線。

上面這一大段沒看明白沒關(guān)系，看一下對(duì)比圖就清楚了，右圖中使用紅外線波段觀測(cè)，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(cè)對(duì)比，紅外線能“透過”星云照射出來

可能有人會(huì)說，那你把望遠(yuǎn)鏡建在地球上不行嗎？何必費(fèi)那么大勁送上天？

原因有兩點(diǎn)：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(jìn)不來。而從時(shí)空盡頭遠(yuǎn)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(huì)使望遠(yuǎn)鏡在紅外線波段無法很好地觀測(cè)。

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(qiáng)大的地面望遠(yuǎn)鏡們，如中國“天眼”FAST、甚大天線陣VLA，在建的歐洲極大望遠(yuǎn)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(yuǎn)越好！

那么，用我們熟悉的哈勃望遠(yuǎn)鏡舉例，它夠不夠遠(yuǎn)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(dāng)飛到白晝區(qū)時(shí)，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(yuǎn)鏡本身也會(huì)制造紅外輻射干擾。好在，哈勃不用太在意，是因?yàn)樗饕ぷ髟谧贤夂涂梢姽獠ǘ巍?/p>

而主打紅外觀測(cè)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(diǎn)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(yuǎn)鏡能和地球以相同的周期，并駕齊驅(qū)繞日公轉(zhuǎn)。

韋布望遠(yuǎn)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(gè)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(yuǎn)鏡效果圖，太陽、地球、月球永遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡自身配置不夠強(qiáng)大，那也是白搭，韋布望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡軌道示意圖 來自NASA

為了把各個(gè)可能角度的陽光遮擋嚴(yán)實(shí)，韋布望遠(yuǎn)鏡配備了一個(gè)巨型遮光罩。它大致是個(gè)菱形大風(fēng)箏形狀，長徑21米，短徑14米，面積堪比一個(gè)網(wǎng)球場。這個(gè)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(cè)試件 來自NASA

這是因?yàn)?，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(cè)試數(shù)據(jù)表明，遮光罩的陽面接受300千瓦的輻射功率時(shí)，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(dá)85℃時(shí)，保證背陰面的望遠(yuǎn)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(cè)點(diǎn)選好了，太陽光擋上了。解決了信號(hào)干擾問題，還有個(gè)大問題有待解決。

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

韋布望遠(yuǎn)鏡和哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡面尺寸對(duì)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(dāng)卓越：在2微米的紅外波段，韋布的分辨力可達(dá)0.1角秒，相當(dāng)于能在80公里外看到一個(gè)乒乓球。這讓韋布能看到比哈勃觀測(cè)極限還要暗幾十倍的天體，是人類肉眼觀測(cè)極限的100億倍。

一個(gè)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(yuǎn)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?cè)阝旂R面上鍍了一層0.1微米厚的金——完美。

鍍金鏡面，眼見為實(shí) 來自NASA

最后，我們?cè)撊绾伟褍蓪訕歉叩闹麋R面、外加一個(gè)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(jìn)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(zhǔn)對(duì)焦，每塊小鏡的微調(diào)系統(tǒng)要求5納米的步進(jìn)精度。展開遮光罩是個(gè)更加復(fù)雜的任務(wù)，需要大約7000個(gè)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(yuǎn)鏡的主要任務(wù)和大致設(shè)計(jì)，就能解釋這臺(tái)強(qiáng)力又復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡為何會(huì)成為“鴿王”了。

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

首先就是想法太超前，對(duì)科技水平要求太高。

回到1996年，當(dāng)NASA硬著頭皮立項(xiàng)時(shí)，甚至還不太清楚這么一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡該怎么造。因?yàn)樵S多相關(guān)科技領(lǐng)域，諸如材料學(xué)、精密加工、自動(dòng)控制、冷卻技術(shù)，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(yù)研演示數(shù)據(jù)。由于技術(shù)上的重重難關(guān)，直到2007年，也就是韋布望遠(yuǎn)鏡最初預(yù)定的發(fā)射年，與之相關(guān)的10個(gè)重大技術(shù)點(diǎn)才剛粗略排除了風(fēng)險(xiǎn)。更何況，除了造望遠(yuǎn)鏡本身，將這么個(gè)大家伙打包，準(zhǔn)確地送到拉格朗日點(diǎn)L2，本身就是個(gè)艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

韋布打包示意圖 來自NASA

曠日持久攻克大量技術(shù)難題，帶來的后果就是預(yù)算爆炸。

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，到2010年才完成關(guān)鍵技術(shù)的方案評(píng)審，過審后的項(xiàng)目預(yù)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(huì)失去耐心，威脅撤資。幸運(yùn)的是，11月時(shí)，國會(huì)息怒了，又加了些銀子，預(yù)算漲到了88億美元——這個(gè)錢差不多都?jí)蛟靸伤液藙?dòng)力航母了。這場風(fēng)波過后，項(xiàng)目才到了最終設(shè)計(jì)制造階段。

接下來就是設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試的漫長循環(huán)。之所以漫長，是因?yàn)檫@望遠(yuǎn)鏡部署在150萬公里外的拉格朗日點(diǎn)，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(yuǎn)鏡，升空后發(fā)現(xiàn)對(duì)焦不好，還能叫個(gè)航天飛機(jī)登門“配眼鏡”——所以，韋布望遠(yuǎn)鏡必須在地面上反復(fù)調(diào)試，確保萬無一失。

如果順利的話，韋布將會(huì)如此展開 來自NASA

但所謂夜長夢(mèng)多，時(shí)間拖了這么久，意外也層出不窮，比如2018年的延期，就是因?yàn)樵囌拐诠庹謺r(shí)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(zhǔn)備好……甚至鏡體都快入艙了，竟然還能因?yàn)楣潭◣б馔饨饨?、再?天……

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

《吃掉了天文學(xué)的天文望遠(yuǎn)鏡》《自然》2010年10月

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

韋布加油！原圖來自NASA

番外篇：花了100個(gè)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(tái)太空望遠(yuǎn)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(tái)太空望遠(yuǎn)鏡——TESS的術(shù)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(duì)于較近的恒星，韋布的超強(qiáng)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(jī)會(huì)，韋布可以分析它對(duì)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(yuǎn)鏡也能自如地觀測(cè)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(jìn)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(yuǎn)了，實(shí)在看不到它們身邊的小天體。另外，按照“大爆炸”理論的時(shí)間線，初代恒星的身邊還沒有足夠的重元素來構(gòu)造有堅(jiān)實(shí)地面的行星。

總之，只能說韋布望遠(yuǎn)鏡有發(fā)現(xiàn)生命蹤跡的實(shí)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(yùn)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(dǎo)和科普作家

責(zé)編 | 丁 崝

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