天文学吞噬者——韦伯望远镜

詹姆斯·韦伯空间望远镜的发射又推迟了。

韦伯望远镜在业界素有天文学吞噬者之名——NATURE刊载的文章 (Lee, 2010. Space science: The telescope that ate astronomy. doi:10.1038/4671028a) 都对此大加吐槽，实在是韦伯望远镜的发射日期一拖再拖，预算更是一超再超。天文学界虽然寄希望于其先进的技术带来较多激动人心的新发现，但又被这个臃肿拖拉的项目搞得苦不堪言。

从1997年立项，到如今的“计划不早于2021年12月24日发射”，詹姆斯·韦伯天文望远镜究竟是如何一步步成长为如今这个24岁，却让人又爱又恨的天文学吞噬者的？

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韦伯与哈勃——既生瑜，再生个亮？

1990年，美国发射了哈勃空间望远镜。从那时到现在的30年间，哈勃望远镜为我们提供了很多前所未见的观测结果，极大地推动了天文学的发展，可谓是一位功勋卓著的老臣。但哈勃望远镜并非一开始就这么优秀。事实上，在哈勃望远镜上天的最初两年，它的性能比较糟糕，NASA在地面通过指令对其进行的调节实在是杯水车薪。1991年前后的美国航天事业如日中天，NASA的一部分人提出，可以借助航天飞机，直接上天去维修哈勃望远镜。于是有了1993年12月的第一次航天飞机维护任务。

图注：第一次维护任务中，宇航员马斯格雷夫和霍夫曼正在安装校准透镜。画面下方是航天飞机，中上方则是哈勃望远镜。

但另外一些科学家和工程师则不看好这样的行动，他们认为这样的任务风险过大，实在无法保证成功。这些人牵头成立了一个委员会——“哈勃空间望远镜及未来”，专门评估维修任务的可行性，以及假如维修行动失败了，下一代空间望远镜应当如何造。

没想到维修任务是一次彻头彻尾的成功，哈勃天文望远镜传回的图像，将宇宙的美从九天之上摘下，震撼了全人类的眼球。

图注：哈勃空间望远镜最著名的作品之一——“创世之柱”（最早拍摄于1995年，后来又多次拍摄同一个区域，叠加出了更宽的视野和更锐利的画面）

好吧，这下这个委员会只好转型了。当然，就不能再简单讨论一个哈勃的替代者，总得讨论些更高端的。哈勃望远镜主要针对可见光、近紫外和近红外波段进行观测，但宇宙中很多天体的温度很低（比如行星或者尘埃盘），它们发出的光辐射波长很长，属于红外光；还有一些天体非常古老，可以追溯到最早的星系，他们有着很大的红移，因此整体光谱偏向红外。要观测这些天体，就需要一种更冷、更大的望远镜。

图注：韦伯望远镜的早期设计概念

于是，韦伯望远镜的规划渐渐成型。

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为什么韦伯望远镜要比哈勃望远镜更“冷酷”

韦伯望远镜被设计成为一种可以将自身温度降低到50开尔文之下的望远镜。相比之下，哈勃空间望远镜一般保持稳定约15摄氏度（约288开尔文）。只有这样，韦伯望远镜才能观测到设计目标的中红外线（波长0.6-28.3微米）——这是为什么呢？

图注：主流空间望远镜和地面观测系统目标波段的对比图。

我们高中都学过黑体辐射，世间的万事万物都在向外辐射电磁波，其中黑体辐射的电磁波的波长取决于物体的温度。炽热的物体发出的光波长短，能量高，比如太阳这种温度的就主要发出可见光波段；低温物体发出的光波长长，能量低，行星、尘埃盘等天体发出的光就主要是红外光了。

图注：当然，韦伯望远镜并不仅仅观测黑体辐射。一些类似地球的系外行星的关键指标性分子的光学特征谱线也位于红外波段，例如水、甲烷、二氧化碳、臭氧等。

韦伯望远镜也要遵守物理定律，它也会发出热辐射。如果不做热控处理，望远镜自身发出的红外线，很轻易就会淹没想要观测的外界的红外线信号。

哈勃天文望远镜位于约500千米高度的近地轨道上，通常维持15摄氏度工作，针对可见光和近紫外光进行观测。如果想要观测近红外光，就需要用液氮或者主动温控对红外相机进行制冷才行。

图注：哈勃望远镜观测的船底座星云。上图为近紫外、可见光波段观测的结果；下图为近红外观测的结果。很明显，近红外能够看见更多的天体，以及更复杂的星云结构。

韦伯望远镜为了将观测系统温度降低到50开尔文以下，配备了五层厚厚的遮阳伞。

图注：在诺斯罗普·格鲁曼集团的厂房里进行展开的五层遮阳伞。值得一提的是，2018年3月，遮阳伞在测试中破了一层，直接导致进度推迟至少六个月。

这五层遮阳伞，每一层都只有人类头发那么薄。每层聚亚胺薄膜两面镀铝，用于反射光和热。最靠近向阳面的两层薄膜（图片最下方两层）还掺入了硅，用于将太阳光带来的热量反射回太空中去。

图注：经过五层遮阳伞，光和热被层层衰减

除此之外，韦伯望远镜会被安置到地球第二拉格朗日点上的光晕轨道，围绕第二拉格朗日点做圆周运动。这样一来，太阳、月亮、地球都会总是处于韦伯望远镜的同一侧，使得来自地球和月亮反射的太阳光、地球和月亮自身的红外线辐射都被这五层遮阳伞隔绝。

图注：地球（蓝色点）-太阳（黄色点）两体体系的五个拉格朗日点（绿色点）

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好大一个望远镜，怎么发射上去？

韦伯望远镜将是人类迄今发射过的最大的空间望远镜，其主镜面有6.5米，遮阳伞则有14.162米乘21.197米。用于发射韦伯望远镜的阿里亚娜-5运载火箭的整流罩最大直径只有4.57米，长度只有16.19米。

图注：韦伯望远镜开发人员与望远镜1:1模型的合影。可见望远镜还是非常大的。

进不去！怎么想都进不去吧！

设计之初，工程师们就想到了这一点——其实这也是大型望远镜的通用做法了——折叠！

图注：折叠后的韦伯望远镜

韦伯望远镜的遮阳伞折叠12次，就可以塞进火箭整流罩里。而望远镜的主反射镜由18个子镜片构成，发射前折叠堆放，发射后再展开。

图注：韦伯望远镜展开流程。先向外甩开遮阳伞，再将扣放的主镜片抬起，将二级镜片展开到位，随后给遮阳伞加压摊平，并固定二级镜片，最后将主镜片完全展开。总的来说跟我晾衣服的步骤差不多。

展开后的韦伯望远镜以遮阳伞为界，遮阳伞下方，或者说向阳面，是正常温度工作的卫星平台、太阳能板、天线、星敏仪等，用于维持望远镜的能源、对地通信、导航定位等基本功能。

而在遮阳伞的上方，或者说背阴面，是在零下230摄氏度左右工作的望远镜光学组件。

不得不说，这确实是一件精妙的尖端科技产品，足以称得上一个“美”字。

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天文学吞噬者——填不饱的胃口

这么美的一件现代科技的结晶，怎么会被称为“天文学吞噬者”呢？

其实这是NASA的传统艺能了——预算超支。

图注：韦伯望远镜的18面主镜片的其中一枚，超级光滑，映照出7名工程师的大头。

1997年，詹姆斯·韦伯空间望远镜立项。这个名字得名于主持阿波罗计划发展的NASA第二任局长詹姆斯·韦伯。当年定下的预算是5亿美元，预计2007年发射。

1998年，预算扩充至10亿美元——这已经超过我国天问一号火星探测器的预算了。

1999年，发射计划延期到2007年或2008年。

2000年，发射计划延期到2009年，预算扩充到18亿美元。

2002年，发射计划延期到2010年，预算扩充到25亿美元。

2003年，延期到2011年。

2005年，延期到2013年，预算扩充到30亿美元。

2006年，延期到2014年，预算扩充到45亿美元。

2008年，预算扩充到51亿美元。

2010年，延期到2015或1016年，预算扩充到65亿美元。

图注：到2010年，各项技术论证其实都已经通过了。

2011年，延期到2018年，预算扩充到87亿美元。

2013年，88亿美元。

2017年，完了，活没干完，延期到2019年吧。

2018年，要不还是再推一年？2020年吧，顺便钱也有点不够了。

图注：主镜片的其中几枚正在进行极低温测试。就在2018年，遮阳伞中的一层在低温测试中破裂，导致返厂。

2019年，疫情来了，还是延期到2021年看看能不能好吧，顺便预算扩充到96.6亿美元。

2021年10月，糟糕，星-箭间的通信系统有点小问题，延期到12月吧。顺便预算扩充到97亿美元。

图注：2021年10月12日，韦伯望远镜已经转移到法属圭亚那的火箭发射基地，并在几日内安装到欧空局的阿里亚娜-5运载火箭上，本来预计10月31日发射，但突然发现星-箭通信有问题。以小编的猜测，大概是NASA和ESA之间的通信协议没有掰扯清楚。

现在，这颗星预计“不早于12月24日”发射...

诸位看看这可怕的预算膨胀问题，从5亿扩充到将近100亿美金，膨胀了20倍，某宝双十一的定金膨胀也没有这么夸张啊！

图注：斯皮策空间望远镜（2003年）与哈勃空间望远镜、韦伯空间望远镜口径大小的对比

韦伯望远镜目前看来确实很厉害，很可能将会提供给人类一个强有力的观察宇宙的全新视角。天文学家们都对它寄予厚望，所以愿意不断砸钱。NASA关于韦伯望远镜的预算实际上挤占了很多其它天文学科研项目的预算空间。然而，砸钱砸了半天，迟迟见不到效果——一连砸了24年，当年力主此项目的科学家的孙子都能打酱油了。更要命的是，韦伯望远镜就像个无底洞——你要是就此收手不砸了，那你前期投的钱就白费了；你要是继续砸钱，那又不知道还要再砸多少。

要知道100亿美元，已经可以造大半艘福特级航母，或者12枚东风-41洲际导弹了。

图注：韦伯望远镜的1:1模型2013年就已经杵在德克萨斯州奥斯汀市了。

总之，祝韦伯望远镜从12月24日起，度尽劫波，一切顺利吧！

美编：陈添鑫

校对：李玉钤