延期14年，超支600亿，韦布望远镜发射升空

来了来了，力压《阿凡达2》，秒杀《赛博朋克2077》，从2007年延期到2021年的无冕跳票王——詹姆斯‧鸽王之王‧韦布空间望远镜（以下简称韦布望远镜），“提前”所有人预期5年之久，终于发射升空啦！

韦布望远镜发射升空动画演示 | ESA

北京时间今天20时20分，韦布望远镜在法属圭亚那的库鲁航天中心，由欧洲空间局一枚阿丽亚娜5号火箭运载，顺利点火升空。

在场和不在场的天文学家暂时都松了一口气，但很快又把心悬了起来——因为发射升空只是启程，后面还有更多艰难险阻，等着韦布望远镜一关一关去攻克。

韦布望远镜和哈勃望远镜 | NASA's Goddard Space Flight Center

鸽王之王

说起太空望远镜，不得不提到大名鼎鼎的哈勃空间望远镜。自1990年升空已来，哈勃已在太空工作了31年，给天文学几乎所有领域都带来了突破性发现。毫无疑问，哈勃是有史以来最重要的天文观测设备，没有之一。

但天文学家并没有就此满足，很快他们就发现，哈勃的观测能力有限，比如看不见宇宙诞生最初几亿年间的影像。

因此，早在哈勃望远镜还“年轻力壮”的1996年，便有人提出了当时名为下一代空间望远镜的科学项目，目标是打造一台比哈勃看得更远、更暗、更清楚的太空望远镜。

起初，天文学家打算斥资5亿美元，计划用10年时间来建造，估摸着到2007年，怎么都把它发射上天了吧？

“在我书架上躺了32年的这本书（《下一代空间望远镜》），可算是派上用场了！” | 推特用户@planet4589

接下来的事情，大家应该都知道了。下一代望远镜被命名为韦布望远镜，得名于NASA第二任局长詹姆斯‧韦布，当年领导过阿波罗登月计划。但韦布望远镜的进度却没有韦布本人那样雷厉风行，反而是一拖再拖，成了鸽王之王。

韦布望远镜的鸽王之路 | 《太空探索》杂志2022年1月刊、北京大学青年天文学会 制图

天文学家处理数据时最喜欢拟合。有好事者将韦布望远镜在不同年份（横轴）拟定的发射日期（纵轴）也作了个线性拟合（红线），黑色虚线则代表时间的真实流逝（斜率为1）。

“看，起码这斜率还是小于1的嘛。”| XKCD

据此图推断，红色实线在2026年与黑色虚线相交，那便是韦布望远镜发射上天之时。

看来，韦布望远镜还算是提前5年完成任务了呢！（并不是……

另一方面，随着工程进度一拖再拖，韦布望远镜的造价也水涨船高——从最初预想的5亿美元，一路飙升到近100亿美元，几乎吃掉了NASA天体物理方向所有预算的一半。

以韦布望远镜不到6.5吨的总重量来计算，这相当于每克价值1500美元，大概是黄金价格的25倍。看上去金光灿灿的韦布望远镜，可比真金要贵得多了。

金光灿灿的韦布望远镜，主镜上是真的镀了黄金的 | NASA

说起来，韦布望远镜的主镜上还真镀了一层黄金，虽说只有大概0.0001毫米厚吧…… 这并不是要彰显这台望远镜的昂贵，而是要实现天文学家对下一代空间望远镜的期待——比哈勃看得更远！

黄金镜面

作为一台望远镜，看得远当然是首要目标。

光速有限，当望远镜观测遥远星系时，看到的是它们以前的样子。从这个意义上来说，望远镜也算得上是一台“时光机”——看得更远，便能观测到这个宇宙更年轻时的模样。

2020年，哈勃望远镜在小熊座发现了GN-z11，这是可观测宇宙中人类已知的最遥远天体，是宇宙诞生仅4亿年时的一个星系。

图 | NASA

但这么远的天体，对于哈勃来说，已经有点力不从心了，因为它的光有点 “太红”了。

宇宙不断膨胀，其中的光波也随之被拉长，这被称为宇宙学红移。换句话说，越远的天体，看起来就“越红”。

宇宙膨胀而变得越来越“红” | NASA & A. Feild (STScI)

对于GN-z11或更远的天体，它们发出的光传到地球时，已经被宇宙膨胀拉长了许多，甚至比红光还要“更红”。

人类肉眼看得见的光，可以分为红橙黄绿蓝靛紫等不同颜色，被统称为可见光，只是电磁波频谱中狭窄的一段，也是哈勃最主要的观测波段。

而在可见光的红色那一端之外，有另一种“光”比红光“更红”，超出了人类肉眼可见的范围，就连哈勃也只能看见一点点，那便是红外线。

哈勃（右）在可见光波段，韦布（中）则在近红外和中红外波段观测，最右是斯皮策望远镜 | NASA & A. Feild (STScI)

韦布是专门为观测红外线而设计的空间望远镜。它的主镜表面之所以要镀一层真金，是因为在反射红外线的能力上，黄金几乎领先其他所有元素。

有了黄金镜面的加持，韦布望远镜能够看见哈勃看不见的“更红”的“光”，有能力比哈勃看得更远，有望找到宇宙大爆炸后最初几亿年里诞生的第一代恒星和第一批星系，向我们揭示宇宙在更小的时候是什么样子。

韦布（最下方）将比哈勃看得更远 | NASA, ESA, A. Feild (STScI)

这也是天文学家最初提出下一代空间望远镜计划时，想要达成的首要科学目标。

除此之外，天文学家还期待韦布能够达成以下关键科学目标：

• 研究星系的形成与演化；
• 了解恒星及行星系统的形成；
• 研究行星系统以及生命起源。

这就要求韦布不只比哈勃看得更远，还要比哈勃看得更清楚！

把大象装进冰箱

口径，是衡量天文望远镜的重要指标。相同条件下，口径越大，望远镜的分辨率就越高。

换句话说，要比哈勃看得更清楚，韦布望远镜的口径必须比哈勃望远镜更大。

哈勃望远镜和韦布望远镜的主镜对比 | NASA

看对比图就知道，韦布望远镜那金光灿灿的主镜，比哈勃望远镜大了两倍不止。哈勃望远镜的口径“只有”2.4米，而韦布做到了6.5米。

模拟哈勃和韦布观测同一个星系，右边的韦布明显比左边的哈勃清楚 | Ceverino et al.

但口径更大是有代价的，那就是——望远镜太大，大到火箭装不下。

在哈勃望远镜升空的年代，航天飞机的货舱足够宽大。哈勃望远镜可以在地面上组装完成，再由航天飞机整体运送到太空。即使如此，镜筒直径4.3米的哈勃也几乎是航天飞机能够发射的最大尺寸太空望远镜了。

哈勃望远镜可以整体放进航天飞机的货舱里 | NASA/Goddard Space Flight Center

而如今，航天飞机早已退役。为了发射韦布，欧洲空间局特意挑了一款最粗的火箭，整流罩直径足有5.4米——但比韦布6.5米的口径，仍差了1米还多。

想把韦布望远镜全须全尾地塞进去，就像把一头大象装进冰箱，几乎是不可能完成的任务。

除非，韦布望远镜可以折叠起来，蜷缩进火箭的整流罩内，等升空后再自行展开，组装成为最终形态。

韦布望远镜折叠后才能塞进阿丽亚娜5号火箭的整流罩内 | Arianespace/ESA/NASA

这正是韦布的主镜被设计成18块六边形镜面拼接组装的原因之一。只有如此，才能把6.5米的主镜掰成三大块，折叠成紧凑形态装进火箭里发射，升空后再展开拼接成一整块。

折叠到发射状态的韦布望远镜 | NASA

而这18块镜面拼接后要浑然一体，每块镜面的位置精度必须保持在10纳米（也就是0.00001毫米）之内。虽说每块镜面后都配备了电机可以精细调整，但难度有多大，就可想而知了。

而比主镜更大的，是给韦布望远镜专门设计的隔热罩，由5层头发丝这么厚的薄膜材料制成，面积相当于一个网球场，同样需要折叠起来才能塞进火箭。

韦布隔热罩的全尺寸测试件，来感受一下大小 | NASA Goddard Space Flight Center

150万千米

作为一台红外望远镜，韦布比哈勃多了一项艰巨挑战，就是要想方设法来隔绝红外干扰。

红外干扰无处不在，因为一切有温度的物体都会发出红外线，比如太阳、地球和月亮，甚至韦布望远镜本身——假如它的温度没有降到足够低的话。这些干扰就像晃眼的大灯，会淹没从宇宙早期远道而来的微光，让韦布无法看清。

因此，韦布不能像哈勃那样部署在近地轨道，而是要飞往150万千米以外的日地系统第二拉格朗日点（L2），在那里沿一条复杂的轨道运行。

此处不仅远离地球和月亮，在太阳和地球引力的共同作用下，韦布还能跟它们保持相对位置不变。

韦布将在L2点附近的运行，跟太阳、地球保持相对位置不变 | Dr. James O'Donoghue

只有这样，网球场大小的隔热罩才能发挥作用，同时隔绝来自太阳、地球和月亮的红外辐射，让韦布望远镜本体始终保持在-223℃以下。

这还不够，韦布望远镜上的中红外观测设备，要在-266℃以下才能工作。这个温度只比绝对零度高了7度，需要韦布消耗自带的液氦来进一步冷却。液氦耗尽之日，就是中红外设备停用之时。

不仅如此，在L2点附近，韦布还需要不停微调来修正轨道，同样需要持续消耗它随身携带的燃料。一旦燃料耗尽，韦布也将逐渐偏离本来位置，最终完全失控。

这些消耗品决定了韦布望远镜寿命有限，也就能正常工作大约5-12年，不可能像哈勃望远镜这样，升空31年仍老当益壮。

但韦布正常工作的前提是——它能够部署到位，并顺利展开。

变形金刚

为了把韦布的主镜以及比主镜更大的隔热罩塞进火箭发射升空，韦布望远镜采用了折叠设计，使得整套系统变得异常复杂。

韦布望远镜完全展开，步骤复杂，堪比变形金刚 | ESA

顺利升空只是个起点，接下来韦布还必须按部就班，执行一系列错综复杂的展开动作，直到顺利展开主镜，才能算是大功告成。

韦布望远镜展开流程图 | 《太空探索》杂志2022年1月刊、北京大学青年天文学会 制图

展开过程中涉及到许多活动部件，都有可能发生所谓的“单点故障”—— 一旦失效，价值将近100亿美元的韦布望远镜会就此报废。

而这种有可能报销掉整台望远镜的“单点故障”，在韦布身上共有344处。每一处，都是一劫，韦布只能自己去渡，没人帮得上忙。

别忘了，韦布望远镜要去的地方，比月亮还远将近3倍，那是人类宇航员暂时还无法抵达的远方。

韦布加油！| NASA

如果一切顺利，韦布将在13天后完全展开，在30天后部署就位——直到那时，天文学家才终于可以把悬着的心放回到肚子里去。

之后，再经过5个月时间的镜身冷却、镜面微调和仪器校准，韦布将在半年后正式翻开人类观测宇宙的全新篇章。

韦布将翻开观测宇宙的新篇章 | ESA/ATG medialab

果壳将持续关注韦布望远镜的最新进展，敬请期待。

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作者：Steed、马门溪龙饲养员

一个AI：但愿这回，鸽王别再放鸽子了……

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