鸽了14年终于要上天,它的任务是给宇宙拍
划重点
★韦伯望远镜一鸽14年，主要是因为技术超前，预算暴涨。★本文包含大量酷炫动图，谁都看得懂，请放心食用。假如你有个朋友，约你一起出去看星星，结果今天说望远镜没准备好，明天说家里有点事，后天说没钱给车加油了……对这么爱放别人鸽子爽约的人，我们早就友尽了。但天文界里就有这么一位传奇，一鸽再鸽叒鸽了14年多，却仍然让人又爱又恨还充满了期盼……
它就是传说中詹姆斯·韦伯太空望远镜（JamesWebbSpaceTelescope,JWST），这架太空望远镜于年立项时，目标是年上天。然而它经历了不断的拖延、追加经费、乃至几乎流产等一系列折腾，活活拖了14年。12月22日（好像）真要出发了！
只要搜索韦伯望远镜，就会发现关于它的新闻全是又双叒叕延期了……
韦伯望远镜究竟有什么了不起的使命？又为何会一再放鸽子呢？
01
想拍宇宙“婴儿照”？先把韦伯送上天
韦伯望远镜的名字，来自领导过阿波罗登月计划的NASA第二任局长詹姆斯·韦伯（JamesWebb），但它最初的名字是“下一代太空望远镜”（NextGenerationSpaceTelescope），这里的“下一代”是相对哈勃太空望远镜而言的——它的官方定位是哈勃继任者。
韦伯望远镜的主要任务，是要比哈勃看到更深更远的宇宙深空，追溯宇宙在亿年以前、刚刚形成初代恒星和星系时的婴儿期相貌。它的观测结果，将为宇宙的早期演化史提供重要数据。
韦伯望远镜的成像原理示意图来自NASA
那么，为什么看得更深更远这么重要呢？
因为光的传播需要时间。比如你现在看到的其实是1纳秒前的手机屏幕，举头望明月看到的则是1秒前的月亮、长安白日照春空的阳光是秒前从太阳表面出发的。而架起天文望远镜，你将看到是个月前的天狼星、年前的猎户座大星云、万年前的仙女座大星系……总之，视线越远，看到的景象就越古老。
所以，韦伯望远镜给宇宙小时候拍照片的原理很“简单”：使劲往远处看就是了。
可是，宇宙空间在不断地膨胀。初代恒星的星光，出发时还是紫外线和可见光，百亿年后到达地球时，已经被宇宙膨胀“抻”成了橙红色光和红外线。当研究近处孕育的新恒星时，能从星云尘埃中跑出来报信的，也是波长较长、衍射能力较强的红外线。所以，韦伯在0.6~28微米的波段工作，正好适合观测这些红外线。
上面这一大段没看明白没关系，看一下对比图就清楚了，右图中使用红外线波段观测，弱化了干扰，明显能比左图看到更多更清晰的星星。
可见光和红外线波段的观测对比，红外线能“透过”星云照射出来
可能有人会说，那你把望远镜建在地球上不行吗？何必费那么大劲送上天？
原因有两点：吸收和干扰。
一方面，地球大气层能够吸收红外线，某些波段的红外线根本就进不来。而从时空尽头远道而来的红外线，本已奄奄一息，经过大气过滤后，更是缺斤少两。另一方面，红外辐射无处不在，温暖的地球大气，本身就是巨大的红外干扰源，这些都会使望远镜在红外线波段无法很好地观测。
因而，在地面上可没法好好研究宇宙最深处传来的红外线。哪怕是那些最强大的地面望远镜们，如中国“天眼”FAST、甚大天线阵VLA，在建的欧洲极大望远镜E-ELT，都不适合做这方面的研究。
地球大气层在各波长的透光率，波谷就是被吸收掉了
怎么办？冲出大气层，到太空中去，离这些阻碍越远越好！
那么，用我们熟悉的哈勃望远镜举例，它够不够远呢？不但不够而且很不合适。
哈勃在公里的高度绕地飞行，这里依然有稀薄的大气，并且无法逃避红外烘烤——当飞到白昼区时，如果扭头不看太阳，就躲不开地球那张明晃晃的大脸——被照亮的望远镜本身也会制造红外辐射干扰。好在，哈勃不用太在意，是因为它主要工作在紫外和可见光波段。
而主打红外观测的韦伯可不能在这种环境下工作，因此它的的最终选址，是日地拉格朗日点L2，L2处于地球轨道外围，距地万公里（地月距离的4倍）。在这里，韦伯望远镜能和地球以相同的周期，并驾齐驱绕日公转。
韦伯望远镜轨道示意图来自NASA
这里没有大气，而且太阳、地球、月球这些干扰源都在同一方向，只要把这个方向挡住，就能够心无旁骛地静听宇宙深处传来的第一声婴啼。
飘荡在L2的韦伯望远镜效果图，太阳、地球、月球永远被遮挡在同一方向
02
工欲善其事？堆满黑科技
不过，就算把韦伯送上了天，如果这望远镜自身配置不够强大，那也是白搭，韦伯望远镜就堆了一身的好东西，那么都有哪些呢？
接着上文挡光的事继续说，韦伯望远镜并非固定在L2上，而是围绕L2画圈飘荡（如下图所示）。
韦伯望远镜轨道示意图来自NASA
为了把各个可能角度的阳光遮挡严实，韦伯望远镜配备了一个巨型遮光罩。它大致是个菱形大风筝形状，长径21米，短径14米，面积堪比一个网球场。这个遮光罩共有五层镀铝（前两层掺杂硅）的聚酰亚胺膜，每层膜薄如办公用的透明胶带，并且互相分离。
遮光罩的等尺寸测试件来自NASA
这是因为，在多层膜之间，热量只能通过辐射传递，最终呈指数衰减。测试数据表明，遮光罩的阳面接受千瓦的辐射功率时，阴面只有23毫瓦的输出，这样的性能，足以在受光面温度高达85℃时，保证背阴面的望远镜稳定在-℃以下“暗中观察”，窥探宇宙诞生的秘密。
真·暗中观察，左图来自NASA
观测点选好了，太阳光挡上了。解决了信号干扰问题，还有个大问题有待解决。
观测的波长越长，需要的镜面就越大，地球上那些动不动直径几百米的巨物就是如此。为了更好地观测红外线，韦伯望远镜需要一个比哈勃更大的镜面。
韦伯望远镜和哈勃望远镜的主镜面尺寸对比来自NASA
哈勃的主镜直径都已经有2.4米，高过姚明了，而韦伯的主镜直径有6.5米，大约有两层楼高。这面巨镜的性能相当卓越：在2微米的红外波段，韦伯的分辨力可达0.1角秒，相当于能在80公里外看到一个乒乓球。这让韦伯能看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体，是人类肉眼观测极限的亿倍。
一个人类和韦伯、哈勃合影（左起第一位是韦伯）来自NASA
有趣的是，韦伯的大镜子面积是哈勃的6.25倍，但竟然比哈勃的还要轻（千克VS0千克）。这里又有高科技了：哈勃的镜板用的是玻璃，密度是2.5克每立方厘米，而韦伯的镜板更轻薄，用的是金属铍，密度只有1.85克每立方厘米，这样单位面积的镜板的质量只有哈勃的10%。铍除了够轻，够硬，更重要的是在望远镜所在的极冷环境下，形状比玻璃的还稳定。美中不足是它颜色灰暗，反射率不佳，所以人们在铍镜面上镀了一层0.1微米厚的金——完美。
镀金镜面，眼见为实来自NASA
最后，我们该如何把两层楼高的主镜面、外加一个网球场大小的遮光罩送上太空呢？
显然只有层层折叠后塞进火箭，到了太空再展开了。因此韦伯的主镜不是铍板一块，而是由18面正六边形小镜拼接成的。为了使展开后的主镜精准对焦，每块小镜的微调系统要求5纳米的步进精度。展开遮光罩是个更加复杂的任务，需要大约个零件协同工作，才能把5层薄膜展开、铺平、绷紧、隔离。
韦伯折起来以后就成这样了来自NASA
03
放鸽子，只因我高（科技）贵（烧钱）
说完韦伯望远镜的主要任务和大致设计，就能解释这台强力又复杂的望远镜为何会成为“鸽王”了。
没别的，就是“脑洞一时爽，执行火葬场”再加上“别看初始预算低，追加坑你没商量。”
首先就是想法太超前，对科技水平要求太高。
回到年，当NASA硬着头皮立项时，甚至还不太清楚这么一台望远镜该怎么造。因为许多相关科技领域，诸如材料学、精密加工、自动控制、冷却技术，还没有完全就位。
例如，前文提到的铍质主镜，年底才拿到预研演示数据。由于技术上的重重难关，直到年，也就是韦伯望远镜最初预定的发射年，与之相关的10个重大技术点才刚粗略排除了风险。更何况，除了造望远镜本身，将这么个大家伙打包，准确地送到拉格朗日点L2，本身就是个艰巨的技术挑战。
韦伯打包示意图来自NASA
旷日持久攻克大量技术难题，带来的后果就是预算爆炸。
这台望远镜，到年才完成关键技术的方案评审，过审后的项目预算已经从最初的5亿美元，暴涨到了65亿。年7月，美国国会失去耐心，威胁撤资。幸运的是，11月时，国会息怒了，又加了些银子，预算涨到了88亿美元——这个钱差不多都够造两艘核动力航母了。这场风波过后，项目才到了最终设计制造阶段。
接下来就是设计、制造和测试的漫长循环。之所以漫长，是因为这望远镜部署在万公里外的拉格朗日点，一旦出现故障，根本无法派人前去维修——这可不像近处的哈勃望远镜，升空后发现对焦不好，还能叫个航天飞机登门“配眼镜”——所以，韦伯望远镜必须在地面上反复调试，确保万无一失。
如果顺利的话，韦伯将会如此展开来自NASA
但所谓夜长梦多，时间拖了这么久，意外也层出不穷，比如年的延期，就是因为试展遮光罩时发生了撕裂，这一延就是两年。再往后，就是五花八门的倒霉事了：新冠肺炎大流行、火箭没准备好……甚至镜体都快入舱了，竟然还能因为固定带意外解绑、再鸽4天……
最终，这项目总花费接近亿美元。由于它失控的预算，许多其他科研项目筹不到经费，无法开展。业界对它颇有怨念，比如自然杂志就曾批评韦伯望远镜“吃掉了天文学”。
《吃掉了天文学的天文望远镜》《自然》年10月
不过不管怎样，既然天文学已经被韦伯吃掉了，那它就得负责啊！我们还是祝詹姆斯·韦伯太空望远镜好运吧！愿这件凝聚人类前沿科技的结晶如期顺利升空，在今后十年的任务工作顺利，收获满满！
韦伯加油！原图来自NASA
番外篇：花了个亿，这次能找到外星人吗？
可能很多朋友最感兴趣的问题，还是这么奇妙的一台太空望远镜能帮助人类找到外星人吗？
找外星人，可以从寻找宜居系外行星入手，而寻找这类行星是另一台太空望远镜——TESS的术业专攻，不是韦伯的主业。但韦伯还真有能力做这件事！
对于较近的恒星，韦伯的超强分辨力可以直接看到它身边的大行星，或者正在吸积成形的行星的炽热星胚。假如行星有从其母星身前经过的机会，韦伯可以分析它对恒星光谱造成的变化，判断其大气成分，寻找生命的线索。
韦伯望远镜也能自如地观测太阳系内的地外行星和各色小天体，包括卫星、彗星、小行星、矮行星、柯伊伯带，以进一步研究太阳系的形成演化历史。
我们并不奢望韦伯在初代恒星身边发现行星。它们太遥远了，实在看不到它们身边的小天体。另外，按照“大爆炸”理论的时间线，初代恒星的身边还没有足够的重元素来构造有坚实地面的行星。
总之，只能说韦伯望远镜有发现生命踪迹的实力，但至于能不能真的发现外星人的踪迹，那恐怕还得看运气了。
作者
曲炯科普作家作品发表于国家博物馆、国家航天局等
审核
刘茜北京天文馆研究员科普影片编导和科普作家
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丁崝
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