文/杜駿豪

2021 年12 月25 日，在世人的矚目下，數(shù)千名科學(xué)家與工程師花費20 余年精心的設(shè)計與建造的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡終于發(fā)射升空。

如果你站在直徑6.5 米的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡前，一定不敢大聲喘息。這部望遠鏡擁有18 片一塵不染的鍍金主鏡片、5 張薄如蟬翼的聚酰亞胺隔熱罩、低至-223℃的工作溫度、97 億美元的制造成本。它是人類迄今為止制造的最大、最復(fù)雜、最強勁、最具有想象力的空間望遠鏡，簡稱JWST。

▲ 韋伯望遠鏡標(biāo)志性的外觀——18 片六邊形鍍金鈹鏡組成的主鏡

▲ 韋伯望遠鏡光路示意圖

▲ “哈勃”與“韋伯”主鏡對比示意圖

韋伯空間望遠鏡部署后可以替代年事已高的哈勃空間望遠鏡。與專注于可見光波段的“哈勃”不同，“韋伯”可以看到波長更長的中紅外波段，同時具有更高的靈敏度與分辨率。它可以看到宇宙中最久遠的事件和最遙遠的物體，并在天文學(xué)和宇宙學(xué)研究前沿大放異彩，對推動整個人類社會的進步有重大意義。

光學(xué)設(shè)計：盡帶黃金甲

光學(xué)望遠鏡模塊(OTE)是韋伯空間望遠鏡的主要結(jié)構(gòu)之一，由望遠鏡的主鏡、次鏡、三級反射鏡、精細轉(zhuǎn)向鏡、望遠鏡框架及其控制裝置等結(jié)構(gòu)組成。OTE 好比整個韋伯望遠鏡的眼睛，其原理是三鏡消像散望遠鏡：光線首先由主鏡匯聚并反射給次鏡，次鏡進一步將光線傳遞給處于望遠鏡中心的三級反射鏡，而后經(jīng)過精細轉(zhuǎn)向鏡傳遞給綜合科學(xué)儀器模塊進行光線的接收與處理。

“韋伯”最吸人眼球的便是那18面金光閃閃的六邊形主鏡。這是一面直徑6.5 米的鍍金鈹質(zhì)反射鏡，總面積達到了25.4 平方米，是“哈勃”的6 倍以上。對望遠鏡來說，口徑既真理，“韋伯”的觀測能力與“哈勃”相比有巨大的提升?！肮迸臄z著名的“超深場”圖像時，一動不動地指向太空中同一個地方，連續(xù)拍攝了16 天才捕捉到那令人難以置信的微弱、遙遠星系的圖像。與之相比，“韋伯”將在短短7 小時內(nèi)完成類似的觀測任務(wù)。

質(zhì)量方面，“韋伯”的總重約6.5噸，只有“哈勃”的一半，但是體積卻比“哈勃”有明顯的提升。其中“哈勃”主鏡為玻璃材質(zhì)，總重828 千克，而“韋伯”則選用了元素周期表里第四個元素——金屬鈹，它具有極低的密度，使巨大的主鏡重量只有705 千克。此外，鈹還有硬度較高、熱膨脹系數(shù)較低等優(yōu)點，使“韋伯”能夠勝任工作條件下巨大的溫差而不會產(chǎn)生過多的熱脹冷縮。“韋伯”的鈹鏡表面利用氣相沉積技術(shù)噴涂了100 納米厚的金層，盡顯奢華，因為金可以很好地提高紅外光反射率，起到更好的成像效果。最后，工程師在金層外面又噴涂了一層極薄的二氧化硅，以防止柔軟的金層被劃傷。

▲ 2012 年，技術(shù)人員正在檢查其中一片主鏡

▲ 2017 年，準(zhǔn)備進行低溫測試的OTE 模塊

對主鏡的設(shè)計與建造是整個韋伯望遠鏡工程中最具挑戰(zhàn)性的。主鏡展開后寬達6.5 米，如果把它做成一面單獨的大鏡子，則對現(xiàn)有的運載火箭來說均太大了。因此工程師將主鏡分割成18 塊正六邊形，在發(fā)射前折疊放入火箭整流罩，發(fā)射后再展開，異常精巧，是合理利用火箭整流罩空間的設(shè)計典范。

因為主鏡展開后的精度對望遠鏡的觀測能力有巨大的影響，如何保證展開后的精度是主鏡設(shè)計的難點之一，換句話說，18 片獨立的鏡片在展開后要渾然一體。對此，工程師為每一片鏡片設(shè)計了6 個電動伺服機構(gòu)(致動器)，使每片鏡片均能單獨調(diào)整角度，最高調(diào)整精度甚至達到了5 納米，這一尺寸大約相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的一萬分之一。在發(fā)射后，近紅外相機 (NIRCam) 的波前傳感器會測量每一片主鏡的誤差，進而利用計算機算法實現(xiàn)每一片鏡片的自動調(diào)整。

▲ 工程師使用干冰清潔次鏡

▲ 三級反射鏡和精細轉(zhuǎn)向鏡

“韋伯”的次鏡、三級反射鏡的材質(zhì)與主鏡相同，均為鍍金鈹鏡。其中次鏡是一個直徑74 厘米的圓形曲面，三級反射鏡則是一個更小的不對稱六邊形鏡片。光線經(jīng)過主鏡、次鏡、三級鏡的反射后，由精細轉(zhuǎn)向鏡進一步穩(wěn)定圖像，傳遞給綜合科學(xué)儀器模塊中的四個主要科學(xué)載荷，對光線進行分析與處理。

軌道及熱控設(shè)計：寒光照鐵衣

體溫槍的原理是測量人體發(fā)射出紅外線的強度，因為物體的溫度越高，向四周輻射出的能量就越強，輻射出來的紅外線就越多。如果“韋伯”的工作溫度過高，它的鏡片等結(jié)構(gòu)自身也會發(fā)射出紅外線，遮蓋住來自遙遠星系的微弱紅外光。因此，“韋伯”的光學(xué)望遠鏡模塊需要在-223℃以下的極端低溫中工作。

在太空中對探測器影響最大的熱源是太陽，遠離太陽便可以降低太陽的輻射量，但是過遠則會影響太陽能板的正常電力供應(yīng)，并且降低對地通信速率?？茖W(xué)家與工程師找到了一個熱量與電源的絕佳的平衡點——拉格朗日L2 點。地球與太陽形成的穩(wěn)定體系中存在5 處引力平衡點，韋伯望遠鏡便選擇了日地拉格朗日L2 點作為自己的大本營。只需要微量的擾動，韋伯望遠鏡就可以長期穩(wěn)定在L2 點附近。在此處，韋伯望遠鏡可以將陽光全部“拋于腦后”，將鏡面對向沒有太陽的天空。

日地拉格朗日L2 點距地球約150萬千米，在此處來自太陽、地球與月球的紅外線依舊會對紅外觀測產(chǎn)生影響。為了使探測器溫度進一步降低，科學(xué)家已經(jīng)用出了渾身解數(shù)——2009年發(fā)射的赫歇爾空間天文臺也運行在L2 點，同時使用昂貴的液氦作為制冷劑，其溫度低至-267.7℃。但是有限的液氦在2013 年4 月就用完了，導(dǎo)致其工作溫度不斷上升，此后的觀測性能大打折扣。

▲ 韋伯望遠鏡軌道示意圖，天體大小未按照真實比例

▲ 展開后的五層菱形隔熱罩

▲ 韋伯望遠鏡的隔熱罩原理示意圖

▲ 折疊完畢的韋伯望遠鏡，左右淡紫色的是其隔熱罩

為了實現(xiàn)更長的使用壽命，“韋伯”并未使用液氦作為自己制冷的主要手段，而是攜帶了五張網(wǎng)球場大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩——這是“韋伯”的另一個醒目特征。每張隔熱罩厚度與人類的頭發(fā)直徑相近，離太陽最近的層厚0.050 毫米，其他層厚0.025 毫米。為了提高薄膜的反射率，以將更多熱量反射出去，隔熱罩正反面均附有一層100 納米厚的鋁，離太陽最近的兩層還摻雜了硅，這是這兩層材料顯現(xiàn)出淡紫色的原因。每層隔熱罩均可以阻擋約90%的熱量，五層協(xié)同工作可以使兩側(cè)的溫度差達到約300℃，為望遠鏡主要結(jié)構(gòu)提供-223℃以下的工作溫度。

與望遠鏡相同，巨大的隔熱罩是不能以展開狀態(tài)放入火箭整流罩的。完全展開的隔熱罩長約21 米，寬約14 米，在發(fā)射前它將像折紙一樣小心地折疊12 次，在發(fā)射后通過復(fù)雜的機械設(shè)備按部就班地展開到位。

遮陽板可以將望遠鏡的鏡片等結(jié)構(gòu)溫度降至-223℃以下，但該溫度對于科研探測設(shè)備來說還是偏高了。三部近紅外成像儀將通過被動冷卻系統(tǒng)在大約-234℃下工作。中紅外成像儀的要求更加苛刻，它的工作溫度低至-266℃，在它身上只能通過液氦進行冷卻。不過，它對于液氦的需求量遠低于赫歇爾空間天文臺，液氦資源不會過于捉襟見肘。

發(fā)射流程：只影向誰去

韋伯空間望遠鏡使用歐空局研制的阿里安5 號運載火箭，在法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射場發(fā)射升空。前面已述，韋伯望遠鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)與隔熱結(jié)構(gòu)均是折疊的，發(fā)射后需要展開。此外，“韋伯”還有太陽能板、通信天線等至關(guān)重要的儀器設(shè)備需要展開后才能正常工作。因此發(fā)射后的韋伯望遠鏡不能立即工作，還有6 個月的在軌部署與測試工作等著它。

▲ 韋伯望遠鏡在軌部署全流程示意圖 制圖：杜駿豪

上圖顯示了“韋伯”發(fā)射后在軌部署的全流程工作。起飛26 分鐘后，火箭完成任務(wù)，韋伯望遠鏡獨自踏上去往日地拉格朗日L2 點的路(A)。緊接著，它的太陽能板將會首先展開（B)，畢竟充足的電源是日后所有工作的基礎(chǔ)。兩小時后它會轉(zhuǎn)動通信天線，對準(zhǔn)地球(C)。

下一步是隔熱罩展開。發(fā)射3 天后，主鏡前后的隔熱罩托盤先后打開(D/E)，光學(xué)望遠鏡模塊整體抬升以與隔熱罩拉開距離 (F)。下一步將會展開一面不太起眼的襟翼(G)，它的作用是平衡巨大隔熱罩承受的太陽風(fēng)的壓力，可以最大限度地降低任務(wù)期間的燃料用量。最關(guān)鍵的步驟便是將五層隔熱罩展開到位并張緊(H/I)，這個過程耗時兩天。最后，每層隔熱罩之間還需要分開一定的距離，起到更好的隔熱效果(J)。

隨后進行光學(xué)望遠鏡模塊的展開工作，此步驟耗時4 天。首先會將次鏡的長臂打開，使次鏡到位并鎖緊(K)。然后會將望遠鏡背部的儀表散熱器展開(L)，該散熱器承擔(dān)著紅外成像儀等關(guān)鍵科研儀器的降溫工作。最后兩天依次展開左右兩邊的主鏡(M/N)，所有的在軌展開工作便大功告成了。在這個環(huán)環(huán)相扣的繁瑣環(huán)節(jié)中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將對韋伯望遠鏡的工作性能產(chǎn)生影響。因為拉格朗日L2點距離地球較遠，我們沒有機會派載人飛船前去維修，所以一切工作都要在地面試驗以確保萬無一失。

之后是漫長的望遠鏡整體的調(diào)試期，耗時至少6 個月。工程師和科學(xué)家將確認每臺科研儀器都在正常工作，并對18 片主鏡進行調(diào)試，以使其達到最佳聚焦能力。

任務(wù)目標(biāo)：欲窮千里目

綜合科學(xué)儀器模塊(ISIM)承擔(dān)著韋伯望遠鏡的科研探索工作，一共由四款主要儀器組成，分別是近紅外相機(NIRCam）、近紅外光譜儀(NIRSpec)、精細制導(dǎo)傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)、中紅外儀(MIRI)。

近紅外相機、近紅外光譜儀均可以觀測0.6 到5.0 微米的波段，近紅外相機還承擔(dān)著18 片主鏡的在軌測試與校準(zhǔn)任務(wù)。精細制導(dǎo)傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)由精細制導(dǎo)傳感器、近紅外成像與光譜儀聯(lián)合組成，可以觀測0.8 至5.0 微米的波段。精細制導(dǎo)傳感器是整個韋伯望遠鏡的“羅盤”，通過這一傳感器，“韋伯”能以極高的精度指向需要探索的天空。中紅外儀是中紅外波段相機與光譜儀的復(fù)合體，可觀測4.6到28.6 微米的中長紅外波段。它還配備了日冕儀，非常適合觀測系外行星。

有了這些波段與原理互補的科學(xué)載荷，“韋伯”就化身成為一部時光機器。它可以看到130 億光年外非常遙遠的宇宙，觀測宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙久遠的歷史。另外，“韋伯”還可以通過觀測遙遠的原始星系，以確定星系是如何演化的，這對我們反思我們的太陽系如何形成與演化有著建設(shè)性意義。在星云中間，有不少低能量褐矮星、年輕的原恒星，因為它們的光芒過于暗淡，只有通過“韋伯”我們才能觀察到它們，“韋伯”將為我們揭示一個由不可見的恒星和行星組成的隱秘宇宙。對于系外行星的探索甚至有助于我們揭開地球上生命起源的疑團。

“哈勃”極深場圖像是人類拍攝過迄今為止最久遠宇宙的照片，其中有132 億年前的古老星系?！绊f伯”將會拍出更加震撼的圖像。

作為人類史上最強勁的望遠鏡，人類已經(jīng)為它傾注了所有科技、財力與時間。韋伯空間望遠鏡代表著人類最深邃的好奇心，它能帶我們看看未曾一見的神秘世界，為我們探尋宇宙與生命起源的奧秘，為整個人類的科學(xué)認知貢獻不可泯滅的力量，讓我們祝它一路順風(fēng)！

▲ “哈勃”極深場圖像是人類拍攝過迄今為止最久遠宇宙的照片，其中有132 億年前的古老星系?！绊f伯”將會拍出更加震撼的圖像