韦伯望远镜一鸽 14 年，技术超前预算暴涨，让人又爱又恨还充满期盼

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★ 韦伯望远镜持续了14年，主要是因为先进的技术和暴涨的预算。

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假设你有一个朋友邀请你出去看星星，但是今天他说望远镜还没准备好，明天他说家里有事，后天他说他没有给车加油的钱……对于那些喜欢让别人走开、破坏约会的人来说，我们早就把所有朋友都走了。但天文界却有这样一个传说。他赛鸽已超过14年，但依然让人又爱又恨又充满期待……

它就是传说中的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。这架太空望远镜于1996年立项时，目标是在2007年将其发射进入太空。然而，它经历了不断拖延、追加资金、甚至险些流产等一系列挫折，至今已推迟了14年。 。 12月22日（看来）真的要出发了！

只要你搜索一下韦伯望远镜，你就会发现所有关于它的消息又被推迟了……

韦伯望远镜的惊人使命是什么？为什么你一次又一次地放开鸽子？

01

想在太空拍“宝宝照”吗？先送韦伯上天堂

韦伯望远镜的名字来自于领导阿波罗登月计划的NASA第二任管理员詹姆斯·韦伯，但它原来的名字是“下一个空间”（Next Space），这里的“下一代”是相对于哈勃空间而言的望远镜——它的官方定位是哈勃的继承者。

韦伯望远镜的主要任务是比哈勃望远镜更深入、更远地观察宇宙深空，追踪132亿年前第一代恒星和星系刚刚形成时宇宙的婴儿期。其观测结果将为宇宙早期演化历史提供重要数据。

韦伯望远镜成像原理示意图来自NASA

那么为什么更深入、更进一步的研究如此重要呢？

因为光的传播需要时间。例如，你现在看到的实际上是1纳秒前的手机屏幕。当你抬头看月亮时，你看到的是1秒前的月亮。长安春天的天空中闪耀的阳光是在500秒前从太阳表面开始的。当你架起天文望远镜时，你会看到102个月前的天狼星、1340年前的猎户座星云、250万年前的仙女座星系……总之，看得越远，场景就越古老。看。 。

因此，韦伯望远镜拍摄宇宙年轻时的原理很“简单”：看远处就行。

然而，宇宙在不断膨胀。第一代恒星离开时的星光仍然是紫外线和可见光。数百亿年后到达地球时，它已被宇宙膨胀“拉伸”成橙红色光和红外光。在研究附近诞生的新恒星时，波长更长、衍射能力更强的红外线可以从星云中的尘埃中逸出。因此，韦伯工作在0.6至28微米的波长带，正好适合观察这些红外线。

如果你不明白上面这段话也没关系。看看对比图就一目了然了。右图采用红外波段观测，减弱了干扰。很明显可以看到比左图更多、更清晰的星星。

可见光和红外波段观测结果的比较。红外线可以“穿过”星云。

也许有人会说，你不能在地球上造望远镜吗？何必费这么大劲送它上天堂呢？

原因有两个：吸收和干扰。

一方面，地球大气层可以吸收红外线，某些波段的红外线根本无法进入。从时空尽头远道而来的红外线已经消逝，经过大气层的过滤后，密度更加低了。另一方面，红外辐射无处不在，而温暖的地球大气层本身就是一个巨大的红外干扰源，这会阻碍望远镜在红外波段进行良好的观测。

因此，在地面上研究来自宇宙最深处的红外线是不可能的。即使是最强大的地面望远镜，如中国的“天眼”FAST、甚大天线阵列VLA、以及正在建设中的欧洲极大望远镜E-ELT，也不适合从事这一领域的研究。

地球大气层各波长的透光率，波谷被吸收

该怎么办？冲出大气层，进入太空，尽可能远离这些障碍物！

那么，以我们熟悉的哈勃望远镜为例，它足够远吗？不仅是不够的，而且也是不恰当的。

哈勃望远镜在高度 540 公里的轨道上绕地球运行。这里还存在着稀薄的大气层，根本逃不过红外线的烘烤。当飞往白天区域时，如果你将头转离太阳，你就无法避开地球明亮的表面。 - 照明望远镜本身也会产生红外辐射干扰。幸运的是，你不必太担心哈勃望远镜，因为它主要工作在紫外和可见光波段。

专门从事红外观测的韦伯无法在这种环境下工作，所以它的最终位置是日地拉格朗日点L2。 L2位于地球轨道之外，距地球150万公里（地月距离的4倍）。次）。在这里，韦伯望远镜可以在同一周期内与地球平行地绕太阳运行。

NASA 的韦伯望远镜轨道图

这里没有大气层，太阳、地球、月亮等干扰源都在同一个方向。只要挡住这个方向，你就可以心无旁骛地聆听来自宇宙深处的第一声婴儿哭声。

漂浮在 L2 中的韦伯望远镜渲染图。太阳、地球和月亮总是被挡在同一个方向。

02

你想做好你的工作吗？黑科技十足

不过，即使韦伯被送上天，如果望远镜本身威力不够，也是没有用的。韦伯望远镜充满了好东西，那么它们是什么？

继续上面的遮光问题，韦伯望远镜并没有固定在L2上，而是围绕L2漂浮一圈（如下图所示）。

NASA 的韦伯望远镜轨道图

为了阻挡来自所有可能角度的阳光，韦伯望远镜配备了一个巨大的遮光罩。大致呈菱形大风筝形状，长直径21米，短直径14米。该面积相当于一个网球场。该遮光罩有五层涂有铝的聚酰亚胺薄膜（前两层掺杂有硅）。每层都像办公室透明胶带一样薄，并且彼此分开。

遮阳罩同尺寸测试片来自NASA

这是因为，在多层薄膜之间，热量只能通过辐射传递，最终呈指数衰减。测试数据显示，当遮阳板向阳面接受300千瓦的辐射功率时，负面仅输出23毫瓦。这样的性能足以保证负侧望远镜在受光面温度高达85℃的情况下稳定在-233℃以下。“暗中观察”窥探望远镜诞生的秘密宇宙。

真正的秘密观察，左图来自NASA

选定观察点并遮挡阳光。信号干扰问题已经解决，但还有一个大问题需要解决。

观察的波长越长，所需的镜子就越大。地球上直径通常达到数百米的巨型物体就是这种情况。为了更好地观察红外光，韦伯望远镜需要比哈勃望远镜更大的镜子。

韦伯望远镜和哈勃望远镜主镜尺寸对比来自NASA

哈勃的主镜直径为2.4米，比姚明还高，而韦伯的主镜直径为6.5米，大约有两层楼高。这面巨镜的性能相当出色：在2微米的红外波段，韦伯的分辨率可以达到0.1弧秒，相当于能够看到80公里外的乒乓球。这使得韦伯能够看到比哈勃观测极限暗数十倍的物体，也是人类肉眼观察极限的100亿倍。

一个人与 NASA 的韦伯和哈勃合影（左一为韦伯）

有趣的是，韦伯大镜的面积是哈勃的6.25倍，但实际上比哈勃要轻（625公斤VS 1000公斤）。这里又有高科技了：哈勃的镜板由玻璃制成，密度为每立方厘米2.5克，而韦伯的镜板更轻更薄，采用金属铍，密度仅为每立方厘米1.85克，所以单位面积镜板的质量只有哈勃的10%。铍不仅足够轻、足够坚硬，更重要的是，在望远镜所在的极冷环境下，其形状比玻璃更稳定。美中不足的是它颜色暗，反射率差，于是人们在铍镜上镀了一层0.1微米的金——完美。

镀金镜子，来自NASA的眼见为实

最后，如何将两层楼高的主镜和网球场大小的遮光罩送入太空？

显然只能将其一层层折叠起来塞进火箭，然后在太空中展开。因此，韦伯的主镜并不是单一的铍板，而是由18块正六边形小镜组成。为了对展开的主镜进行精确聚焦，每个小镜的微调系统需要5纳米的步进精度。展开引擎盖是一项更为复杂的任务，需要大约 7,000 个零件协同工作才能展开、压平、拉紧和隔离五层薄膜。

这就是韦伯折叠后的样子。来自美国宇航局

03

放鸽子吧，只因我高（技术）贵（烧钱）

讲完韦伯望远镜的主要任务和总体设计，我们就可以解释为什么这个强大而复杂的望远镜成为“王牌鸽”了。

没有别的，只是“这个想法令人兴奋了一段时间，执行火葬场”加上“尽管初始预算很低，但你没有谈判额外的陷阱”。

首先，理念太超前，技术水平要求太高。

早在1996年，当NASA决定启动这个项目时，它甚至不知道如何建造这样一个望远镜。因为很多相关的科学技术领域，如材料科学、精密加工、自动控制、冷却技术等还没有完全到位。

比如前面提到的铍主镜，2001年底才收到预研演示数据，由于技术困难重重，直到2007年，也就是韦伯望远镜原定发射的年份，才获得了预研演示数据。与其相关的10大技术点大致消除了风险。更重要的是，除了建造望远镜本身之外，包装这么大的东西并准确地将其发送到拉格朗日点L2本身就是一项艰巨的技术挑战。

Webb 包装图来自 NASA

长期努力克服大量技术问题的后果是预算激增。

该望远镜2010年才完成关键技术的方案审查，审查结束后，项目预算从最初的5亿美元猛增到65亿美元。 2011年7月，美国国会失去耐心并威胁撤回拨款。幸运的是，11月国会冷静下来，增加了一些资金，将预算提高到88亿美元——几乎足以建造两艘核动力航母。这场风暴过去后，该项目进入了最终的设计和制造阶段。

接下来是漫长的设计、制造和测试周期。之所以需要很长时间，是因为这台望远镜部署在150万公里外的拉格朗日点。一旦坏了，不可能派人去修理。这不像附近的哈勃望远镜，升空后发现焦点不好。 ，而且你还可以请航天飞机上门“配眼镜”——因此，韦伯望远镜必须在地面上反复调试，以确保万无一失。

如果一切顺利，韦伯将会以这样的方式展开。来自美国宇航局

但所谓长夜多梦，就意味着时间拖了这么久，意外也接二连三地发生。比如2018年的延期就是因为试展时引擎盖撕裂，延期了两年。从此以后，将会有各种各样的不幸：COVID-19大流行、火箭还没有准备好……甚至瞄准镜即将进入舱内，但由于固定带的原因，仍然可能会意外解开，并且它将持续另外4天......

最终，该项目总成本接近100亿美元。由于其预算失控，许多其他科学项目无法获得资助，也无法实施。业界对此颇为不满。例如，《自然》杂志曾批评韦伯望远镜“吞噬天文学”。

“吞噬天文学的望远镜”《自然》杂志，2010 年 10 月

但不管怎样，天文既然被韦伯吃了，就必须要负责！让我们祝詹姆斯·韦伯太空望远镜好运！祝愿这一人类尖端科技的结晶如期发射成功，未来十年的使命顺利、硕果累累！

韦伯加油！原始图像来自 NASA

番外：花了100亿，这次能找到外星人吗？

或许很多朋友最感兴趣的问题是这么奇妙的太空望远镜能否帮助人类找到外星人呢？

要寻找外星人，我们可以从寻找宜居系外行星开始。寻找这样的行星是另一台太空望远镜TESS的技术专长，并不是韦伯的主要业务。但韦伯确实有能力做到这一点！

对于附近的恒星，韦伯的超分辨率可以直接看到周围的大型行星，或者正在吸积形成的行星的热恒星胚胎。如果一颗行星有机会从其母恒星前面经过，韦伯就可以分析它在恒星光谱中引起的变化，确定其大气层的成分，并寻找生命的线索。

韦伯望远镜还可以自由观测地外行星和太阳系内的各种小天体，包括卫星、彗星、小行星、矮行星、柯伊伯带等，进一步研究太阳系的形成和演化历史。

我们并不指望韦伯会发现第一批恒星周围的行星。他们距离太远，看不到周围的小天体。此外，根据“大爆炸”理论的时间线，第一代恒星周围没有足够的重元素来构造有坚实地面的行星。

总之，只能说韦伯望远镜具备探测生命踪迹的能力，但至于能否真正发现外星人的踪迹，恐怕就要看运气了。

作者 |曲炯，科普作家，作品发表于国家博物馆、国家航天局等。

评论 |刘谦 北京天文馆研究员、科普电影导演、科普作家