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這兩(liang) 天天文界出了件大喜事——韋布望遠鏡拍攝的首批照片，終於(yu) 上線刷屏啦！這些照片哪兒(er) 哪兒(er) 都有，這裏就不多說了，咱們(men) 今天重點講講這架超級望遠鏡的黑曆史，沒錯，它不僅(jin) 是鴿子王，吞金獸(shou) ，還是能嚇死項目經理的經典（不那麽(me) 正麵的）教材……

想象一下，你有個(ge) 朋友，約你一起出去看星星，結果今天說望遠鏡沒準備好，明天說家裏有點事，後天說沒錢給車加油了……對這麽(me) 愛放別人鴿子爽約的人，我們(men) 早就友盡了。但天文界裏就有這麽(me) 一位傳(chuan) 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(chuan) 說中詹姆斯·韋布太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST），這架太空望遠鏡於(yu) 1996年立項時，目標是2007年上天。然而它經曆了不斷的拖延、追加經費、乃至幾乎流產(chan) 等一係列折騰，活活拖了14年。2021年12月22日（好像）真要出發了（才怪，一直拖到12月25日才發射）！

隻要搜索韋伯望遠鏡，就會(hui) 發現關(guan) 於(yu) 它的新聞全是又雙叒叕延期了……

韋布望遠鏡究竟有什麽(me) 了不起的使命？又為(wei) 何會(hui) 一再放鴿子呢？

01

想拍宇宙“嬰兒(er) 照”？先把韋布送上天

韋布望遠鏡的名字，來自領導過阿波羅登月計劃的NASA第二任局長詹姆斯·韋布（James Webb），但它最初的名字是“下一代太空望遠鏡”（Next Generation Space Telescope），這裏的“下一代”是相對哈勃太空望遠鏡而言的——它的官方定位是哈勃繼任者。過去它一直叫韋伯望遠鏡，後來標準譯名才變成了“韋布”。

韋布望遠鏡的主要任務，是要比哈勃看到更深更遠的宇宙深空，追溯宇宙在132億(yi) 年以前、剛剛形成初代恒星和星係時的嬰兒(er) 期相貌。它的觀測結果，將為(wei) 宇宙的早期演化史提供重要數據。

韋布望遠鏡的成像原理示意圖 來自NASA

那麽(me) ，為(wei) 什麽(me) 看得更深更遠這麽(me) 重要呢？

因為(wei) 光的傳(chuan) 播需要時間。比如你現在看到的其實是1納秒前的手機屏幕，舉(ju) 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(cong) 太陽表麵出發的。而架起天文望遠鏡，你將看到是102個(ge) 月前的天狼星、1340年前的獵戶座大星雲(yun) 、250萬(wan) 年前的仙女座大星係……總之，視線越遠，看到的景象就越古老。

所以，韋布望遠鏡給宇宙小時候拍照片的原理很“簡單”：使勁往遠處看就是了。

可是，宇宙空間在不斷地膨脹。初代恒星的星光，出發時還是紫外線和可見光，百億(yi) 年後到達地球時，已經被宇宙膨脹“抻”成了橙紅色光和紅外線。當研究近處孕育的新恒星時，能從(cong) 星雲(yun) 塵埃中跑出來報信的，也是波長較長、衍射能力較強的紅外線。所以，韋布在0.6~28微米的波段工作，正好適合觀測這些紅外線。

上麵這一大段沒看明白沒關(guan) 係，看一下對比圖就清楚了，右圖中使用紅外線波段觀測，弱化了幹擾，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對比，紅外線能“透過”星雲(yun) 照射出來

可能有人會(hui) 說，那你把望遠鏡建在地球上不行嗎？何必費那麽(me) 大勁送上天？

原因有兩(liang) 點：吸收和幹擾。

一方麵，地球大氣層能夠吸收紅外線，某些波段的紅外線根本就進不來。而從(cong) 時空盡頭遠道而來的紅外線，本已奄奄一息，經過大氣過濾後，更是缺斤少兩(liang) 。另一方麵，紅外輻射無處不在，溫暖的地球大氣，本身就是巨大的紅外幹擾源，這些都會(hui) 使望遠鏡在紅外線波段無法很好地觀測。

因而，在地麵上可沒法好好研究宇宙最深處傳(chuan) 來的紅外線。哪怕是那些最強大的地麵望遠鏡們(men) ，如中國“天眼”FAST、甚大天線陣VLA，在建的歐洲極大望遠鏡E-ELT，都不適合做這方麵的研究。

地球大氣層在各波長的透光率，波穀就是被吸收掉了

怎麽(me) 辦？衝(chong) 出大氣層，到太空中去，離這些阻礙越遠越好！

那麽(me) ，用我們(men) 熟悉的哈勃望遠鏡舉(ju) 例，它夠不夠遠呢？不但不夠而且很不合適。

哈勃在540公裏的高度繞地飛行，這裏依然有稀薄的大氣，並且無法逃避紅外烘烤——當飛到白晝區時，如果扭頭不看太陽，就躲不開地球那張明晃晃的大臉——被照亮的望遠鏡本身也會(hui) 製造紅外輻射幹擾。好在，哈勃不用太在意，是因為(wei) 它主要工作在紫外和可見光波段。

而主打紅外觀測的韋布可不能在這種環境下工作，因此它的的最終選址，是日地拉格朗日點L2，L2處於(yu) 地球軌道外圍，距地150萬(wan) 公裏（地月距離的4倍）。在這裏，韋布望遠鏡能和地球以相同的周期，並駕齊驅繞日公轉。

韋布望遠鏡軌道示意圖 來自NASA

這裏沒有大氣，而且太陽、地球、月球這些幹擾源都在同一方向，隻要把這個(ge) 方向擋住，就能夠心無旁騖地靜聽宇宙深處傳(chuan) 來的第一聲嬰啼。

飄蕩在L2的韋布望遠鏡效果圖，太陽、地球、月球永遠被遮擋在同一方向

02

工欲善其事？堆滿黑科技

不過，就算把韋布送上了天，如果這望遠鏡自身配置不夠強大，那也是白搭，韋布望遠鏡就堆了一身的好東(dong) 西，那麽(me) 都有哪些呢？

接著上文擋光的事繼續說，韋布望遠鏡並非固定在L2上，而是圍繞L2畫圈飄蕩（如下圖所示）。

韋布望遠鏡軌道示意圖 來自NASA

為(wei) 了把各個(ge) 可能角度的陽光遮擋嚴(yan) 實，韋布望遠鏡配備了一個(ge) 巨型遮光罩。它大致是個(ge) 菱形大風箏形狀，長徑21米，短徑14米，麵積堪比一個(ge) 網球場。這個(ge) 遮光罩共有五層鍍鋁（前兩(liang) 層摻雜矽）的聚酰亞(ya) 胺膜，每層膜薄如辦公用的透明膠帶，並且互相分離。

遮光罩的等尺寸測試件 來自NASA

這是因為(wei) ，在多層膜之間，熱量隻能通過輻射傳(chuan) 遞，最終呈指數衰減。測試數據表明，遮光罩的陽麵接受300千瓦的輻射功率時，陰麵隻有23毫瓦的輸出，這樣的性能，足以在受光麵溫度高達85℃時，保證背陰麵的望遠鏡穩定在-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

觀測點選好了，太陽光擋上了。解決(jue) 了信號幹擾問題，還有個(ge) 大問題有待解決(jue) 。

觀測的波長越長，需要的鏡麵就越大，地球上那些動不動直徑幾百米的巨物就是如此。為(wei) 了更好地觀測紅外線，韋布望遠鏡需要一個(ge) 比哈勃更大的鏡麵。

韋布望遠鏡和哈勃望遠鏡的主鏡麵尺寸對比 來自NASA

哈勃的主鏡直徑都已經有2.4米，高過姚明了，而韋布的主鏡直徑有6.5米，大約有兩(liang) 層樓高。這麵巨鏡的性能相當卓越：在2微米的紅外波段，韋布的分辨力可達0.1角秒，相當於(yu) 能在80公裏外看到一個(ge) 乒乓球。這讓韋布能看到比哈勃觀測極限還要暗幾十倍的天體(ti) ，是人類肉眼觀測極限的100億(yi) 倍。

一個(ge) 人類和韋布、哈勃合影（左起第一位是韋布）來自NASA

有趣的是，韋布的大鏡子麵積是哈勃的6.25倍，但竟然比哈勃的還要輕（625千克VS 1000千克）。這裏又有高科技了：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，密度隻有1.85克每立方厘米，這樣單位麵積的鏡板的質量隻有哈勃的10%。鈹除了夠輕，夠硬，更重要的是在望遠鏡所在的極冷環境下，形狀比玻璃的還穩定。美中不足是它顏色灰暗，反射率不佳，所以人們(men) 在鈹鏡麵上鍍了一層0.1微米厚的金——完美。

鍍金鏡麵，眼見為(wei) 實 來自NASA

最後，我們(men) 該如何把兩(liang) 層樓高的主鏡麵、外加一個(ge) 網球場大小的遮光罩送上太空呢？

顯然隻有層層折疊後塞進火箭，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麵正六邊形小鏡拚接成的。為(wei) 了使展開後的主鏡精準對焦，每塊小鏡的微調係統要求5納米的步進精度。展開遮光罩是個(ge) 更加複雜的任務，需要大約7000個(ge) 零件協同工作，才能把5層薄膜展開、鋪平、繃緊、隔離。

韋布折起來以後就成這樣了 來自NASA

03

放鴿子，隻因我高（科技）貴（燒錢）

說完韋布望遠鏡的主要任務和大致設計，就能解釋這台強力又複雜的望遠鏡為(wei) 何會(hui) 成為(wei) “鴿王”了。

沒別的，就是“腦洞一時爽，執行火葬場”再加上“別看初始預算低，追加坑你沒商量。”

首先就是想法太超前，對科技水平要求太高。

回到1996年，當NASA硬著頭皮立項時，甚至還不太清楚這麽(me) 一台望遠鏡該怎麽(me) 造。因為(wei) 許多相關(guan) 科技領域，諸如材料學、精密加工、自動控製、冷卻技術，還沒有完全就位。

例如，前文提到的鈹質主鏡，2001年底才拿到預研演示數據。由於(yu) 技術上的重重難關(guan) ，直到2007年，也就是韋布望遠鏡最初預定的發射年，與(yu) 之相關(guan) 的10個(ge) 重大技術點才剛粗略排除了風險。更何況，除了造望遠鏡本身，將這麽(me) 個(ge) 大家夥(huo) 打包，準確地送到拉格朗日點L2，本身就是個(ge) 艱巨的技術挑戰。

韋布打包示意圖 來自NASA

曠日持久攻克大量技術難題，帶來的後果就是預算爆炸。

這台望遠鏡，到2010年才完成關(guan) 鍵技術的方案評審，過審後的項目預算已經從(cong) 最初的5億(yi) 美元，暴漲到了65億(yi) 。2011年7月，美國國會(hui) 失去耐心，威脅撤資。幸運的是，11月時，國會(hui) 息怒了，又加了些銀子，預算漲到了88億(yi) 美元——這個(ge) 錢差不多都夠造兩(liang) 艘核動力航母了。這場風波過後，項目才到了最終設計製造階段。

接下來就是設計、製造和測試的漫長循環。之所以漫長，是因為(wei) 這望遠鏡部署在150萬(wan) 公裏外的拉格朗日點，一旦出現故障，根本無法派人前去維修——這可不像近處的哈勃望遠鏡，升空後發現對焦不好，還能叫個(ge) 航天飛機登門“配眼鏡”——所以，韋布望遠鏡必須在地麵上反複調試，確保萬(wan) 無一失。

如果順利的話，韋布將會(hui) 如此展開 來自NASA

但所謂夜長夢多，時間拖了這麽(me) 久，意外也層出不窮，比如2018年的延期，就是因為(wei) 試展遮光罩時發生了撕裂，這一延就是兩(liang) 年。再往後，就是五花八門的倒黴事了：新冠肺炎大流行、火箭沒準備好……甚至鏡體(ti) 都快入艙了，竟然還能因為(wei) 固定帶意外解綁、再鴿4天……

最終，這項目總花費接近100億(yi) 美元。由於(yu) 它失控的預算，許多其他科研項目籌不到經費，無法開展。業(ye) 界對它頗有怨念，比如自然雜誌就曾批評韋布望遠鏡“吃掉了天文學”。

《吃掉了天文學的天文望遠鏡》《自然》2010年10月

不過不管怎樣，既然天文學已經被韋布吃掉了，那它就得負責啊！我們(men) 還是祝詹姆斯·韋布太空望遠鏡好運吧！願這件凝聚人類前沿科技的結晶如期順利升空，在今後十年的任務工作順利，收獲滿滿！

韋布加油！原圖來自NASA

番外篇：花了100個(ge) 億(yi) ，這次能找到外星人嗎？

可能很多朋友最感興(xing) 趣的問題，還是這麽(me) 奇妙的一台太空望遠鏡能幫助人類找到外星人嗎？

找外星人，可以從(cong) 尋找宜居係外行星入手，而尋找這類行星是另一台太空望遠鏡——TESS的術業(ye) 專(zhuan) 攻，不是韋布的主業(ye) 。但韋布還真有能力做這件事！

對於(yu) 較近的恒星，韋布的超強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(cong) 其母星身前經過的機會(hui) ，韋布可以分析它對恒星光譜造成的變化，判斷其大氣成分，尋找生命的線索。

韋布望遠鏡也能自如地觀測太陽係內(nei) 的地外行星和各色小天體(ti) ，包括衛星、彗星、小行星、矮行星、柯伊伯帶，以進一步研究太陽係的形成演化曆史。

我們(men) 並不奢望韋布在初代恒星身邊發現行星。它們(men) 太遙遠了，實在看不到它們(men) 身邊的小天體(ti) 。另外，按照“大爆炸”理論的時間線，初代恒星的身邊還沒有足夠的重元素來構造有堅實地麵的行星。

總之，隻能說韋布望遠鏡有發現生命蹤跡的實力，但至於(yu) 能不能真的發現外星人的蹤跡，那恐怕還得看運氣了。

作者 | 曲 炯 科普作家 作品發表於(yu) 國家博物館、國家航天局等

審核 | 劉 茜 北京天文館研究員 科普影片編導和科普作家

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