唐鴻洋

它是迄今人類所建造的最昂貴、最復(fù)雜的天文儀器。耗資近百億美元的它，可以看到宇宙中的第一縷光，并為人類揭示恒星演化的秘密。

它也是名副其實(shí)的“鴿王”，發(fā)射日期最初預(yù)計(jì)是2007—2011年，因經(jīng)費(fèi)和技術(shù)問題推遲到2014年，再推遲到2018年、2019年，直至2021年末。多年來“江湖”上一直流傳著它的傳說。

它便是詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST，以下簡(jiǎn)稱韋布望遠(yuǎn)鏡）。韋布望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）與歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）的國(guó)際合作項(xiàng)目，由300多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)以及相關(guān)公司的數(shù)千名工程師和數(shù)百名科學(xué)家共同完成。

韋布望遠(yuǎn)鏡的基本信息

總有效載荷質(zhì)量：約6200千克，包括科學(xué)儀器、在軌消耗品等

主鏡口徑：約6.5米

主鏡通光口徑面積：25平方米

主鏡材質(zhì)：由18個(gè)子鏡拼接構(gòu)成，均為鈹鏡

主鏡總質(zhì)量：705千克（單個(gè)鈹子鏡質(zhì)量為20.1千克，含支撐結(jié)構(gòu)等為39.84千克）

焦距：131.4米

工作波段：0.6～28.5微米

遮陽(yáng)罩尺寸：21.197米×14.162米

運(yùn)行軌道：距地球150萬千米的拉格朗日L2點(diǎn)

工作溫度：小于50K（約-223℃）

工作時(shí)間：預(yù)計(jì)5～10年

它的歷史，從32年前說起……

從提出構(gòu)想到真正發(fā)射升空，韋布望遠(yuǎn)鏡走過了幾十年的歷程，經(jīng)費(fèi)也從數(shù)億美元膨脹到近百億美元。

1989年，美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScL）舉行了一場(chǎng)研討會(huì)，主題是討論當(dāng)時(shí)尚未升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）的繼任者。與會(huì)者認(rèn)為，HST的繼任者—“下一代空間望遠(yuǎn)鏡（NGST）”應(yīng)可以觀察中紅外光譜區(qū)域。此時(shí)，NGST還不叫韋布望遠(yuǎn)鏡。

1990年，來自美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院的“十年調(diào)查”報(bào)告提出，NGST應(yīng)該是口徑為6米級(jí)的制冷型紅外空間望遠(yuǎn)鏡，而之前STScL研討會(huì)認(rèn)為它的口徑應(yīng)為10米級(jí)。1995年，因預(yù)算問題，NGST主鏡的尺寸被定為4米。1996年，NGST的口徑又被增加到8米（HST的口徑是2.4米）。為了將其塞進(jìn)運(yùn)載火箭中，NASA提出采用可分段折疊的主鏡結(jié)構(gòu)，并宣布NGST將于2007—2011年發(fā)射，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)從10億美元上漲至35億美元。

2002年，NASA根據(jù)調(diào)研情況，選擇與美國(guó)TRW公司合作。同年8月14日，NGST被命名為“詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡”，以紀(jì)念NASA第二任局長(zhǎng)和阿波羅計(jì)劃的主要發(fā)起者—詹姆斯·韋布。

十幾年中，韋布望遠(yuǎn)鏡不僅名字變了，“模樣”也變了很多次，直到21世紀(jì)以后，韋布望遠(yuǎn)鏡才變得與現(xiàn)在的“模樣” 相近。

2004年，科研人員開始制造韋布望遠(yuǎn)鏡的一些零件。此時(shí)，韋布望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)費(fèi)已經(jīng)達(dá)到65億美元，占據(jù)了NASA的全部預(yù)算，導(dǎo)致NASA很多其他項(xiàng)目被取消或推遲。例如2003年提出的WFIRST望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，該望遠(yuǎn)鏡的目的是用來尋找更適合人類居住的行星。

2010年，韋布望遠(yuǎn)鏡的關(guān)鍵任務(wù)通過審查，這意味著它將有能力完成預(yù)期設(shè)定的所有科學(xué)任務(wù)。但好事多磨，2011年韋布望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目險(xiǎn)些被腰斬。由于耗資巨大，美國(guó)國(guó)會(huì)打算取消該項(xiàng)目，但科學(xué)界的大力支持讓美國(guó)國(guó)會(huì)做出妥協(xié)，并為韋布望遠(yuǎn)鏡設(shè)定了80億美元的經(jīng)費(fèi)紅線，同時(shí)將發(fā)射推遲至2018年。后來又推遲至2019年、2021年，經(jīng)費(fèi)也早已越過80億美元的紅線。

2012年，主鏡和支撐結(jié)構(gòu)制造完成，此時(shí)主鏡口徑最終確定為6.5米。2014年，開始制造遮光罩，燃料倉(cāng)、陀螺儀、太陽(yáng)能電池板等。一年后，韋布望遠(yuǎn)鏡的18個(gè)子鏡連同支撐桿被安裝在背板上。

2016年，韋布望遠(yuǎn)鏡的所有部件開始組裝。

韋布望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射

韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后需要約27天的時(shí)間到達(dá)日—地拉格朗日L2點(diǎn)。

第一個(gè)小時(shí)：從法屬圭亞那航天發(fā)射場(chǎng)起飛，由阿麗亞娜5號(hào)運(yùn)載火箭推進(jìn)26分鐘。當(dāng)二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，韋布望遠(yuǎn)鏡將與阿麗亞娜5號(hào)分離，并且在幾分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槔锰?yáng)能電池陣列供電，很快便會(huì)完成空中定位以及飛行準(zhǔn)備。

第一天：將使用自身搭載的小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行第一次軌道修正，此外還會(huì)布置高增益天線以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。韋布望遠(yuǎn)鏡有兩種類型的火箭推進(jìn)器；一種稱為二次燃燒增強(qiáng)推進(jìn)器（SCAT），使用肼和四氧化二氮作為燃料和氧化劑，用于軌道校正；另一種推進(jìn)器稱為單組元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（MRE-1），只使用肼作為燃料。gzslib202204041027

第一周：重點(diǎn)是進(jìn)行第二次軌道修正，隨后展開遮陽(yáng)罩，在此期間還要進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡其他部分展開的布局。

第一個(gè)月：重點(diǎn)是進(jìn)入L2軌道并設(shè)置望遠(yuǎn)鏡，包括鏡體展開和冷卻、科學(xué)儀器的開機(jī)。冷卻時(shí)間通過電熱裝置控制，防止驟冷引起設(shè)備故障，讓內(nèi)部殘留的水可以氣化逸出，防止鏡面結(jié)冰。

之后五個(gè)月：第一個(gè)月的月末將進(jìn)入L2最佳位置，并利用5個(gè)月時(shí)間校正光學(xué)器件共焦和校準(zhǔn)科學(xué)儀器。

第六個(gè)月末：儀器校準(zhǔn)和調(diào)試完成，開始真正的科學(xué)觀察。

2019年，所有科學(xué)設(shè)備集成完畢。

2021年初，望遠(yuǎn)鏡通過了測(cè)試，并準(zhǔn)備在2021年末進(jìn)行發(fā)射。

2021年末，“千呼萬喚始出來”的韋布望遠(yuǎn)鏡本來預(yù)告在12月22日發(fā)射，結(jié)果由于天氣原因又推遲到25日，這真是“鴿王”最后的倔強(qiáng)。

遲了這么久，它“過時(shí)”了嗎

雖然韋布望遠(yuǎn)鏡一再“放鴿子”，但是人們對(duì)它還是充滿期待，因?yàn)樗员３种浅Ｏ冗M(jìn)的技術(shù)并搭載著極具創(chuàng)新性的設(shè)備。

第一看其拼接型的主鏡。主鏡口徑達(dá)6.5米，為了能將其塞進(jìn)火箭中而設(shè)計(jì)成了部分折疊的形式。子鏡設(shè)計(jì)為六邊形，不僅保證了填充效率還具有高對(duì)稱性，只需設(shè)計(jì)三種子鏡面形即可。進(jìn)入軌道后，主鏡會(huì)重新展開，工程師利用紅外相機(jī)對(duì)已知恒星拍照，通過對(duì)比18個(gè)子鏡各自成像的情況，利用計(jì)算機(jī)算法將主鏡調(diào)整共焦。

為了保證對(duì)微弱紅外光的反射率，鏡面需要鍍上一層厚度（0.1微米）均勻的金薄膜，并且冷卻到極低的溫度，防止鏡體自身對(duì)光的吸收以及自身輻射的紅外線淹沒了目標(biāo)光信息。

第二看其工作地點(diǎn)。在18世紀(jì)，拉格朗日解決了“三體問題”，即三個(gè)物體互相圍繞旋轉(zhuǎn)而保持相對(duì)位置不動(dòng)的布局。這個(gè)問題最終有5個(gè)解，即左圖所示的L1—L5這5個(gè)拉格朗日點(diǎn)。在這5個(gè)點(diǎn)上，兩個(gè)大質(zhì)量物體提供的引力，恰好可以維持第三個(gè)物體圓周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力。韋布望遠(yuǎn)鏡將在L2點(diǎn)附近工作，只需要很小的推進(jìn)力即可保持在工作軌道上。

第三看其遮光罩，能讓望遠(yuǎn)鏡保持極低溫度的秘密武器就是這個(gè)遮光罩。它由5層被稱為“Kapton”的聚酰亞胺薄膜材料構(gòu)成，每一層都涂有鋁，靠近太陽(yáng)的第一層和第二層還涂有摻雜硅，可以在-269℃～400℃的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。遮光罩采用熱點(diǎn)粘合（TBS）工藝無縫拼接，如果出現(xiàn)撕裂，該工藝可以防止撕裂口延伸到其他區(qū)域。遮光罩的降溫效果十分優(yōu)秀，韋布望遠(yuǎn)鏡工作時(shí)，面向太陽(yáng)一面的溫度將達(dá)到110℃，而到了第五層時(shí)最低溫度可達(dá)到-237℃！此外，為了平衡光壓，保證韋布望遠(yuǎn)鏡的姿態(tài)，遮光罩在設(shè)計(jì)時(shí)還有力學(xué)方面的考量。

四大關(guān)鍵科學(xué)儀器

韋布望遠(yuǎn)鏡搭載了4個(gè)關(guān)鍵科學(xué)儀器：近紅外相機(jī)（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像儀和無縫隙光譜儀（FGS/NIRISS）。

近紅外相機(jī)是韋布望遠(yuǎn)鏡的主要成像設(shè)備，由亞利桑那大學(xué)和洛克希德·馬丁公司制造。其工作波段為0.6～5微米。它所搭載的10個(gè)碲汞鎘（HgCdTe）探測(cè)器陣列將用來發(fā)現(xiàn)處于形成時(shí)期的恒星和星系、觀測(cè)星系中的恒星數(shù)量以及銀河系和柯伊伯帶天體中的年輕恒星。gzslib202204041027

近紅外光譜儀由ESA提供，覆蓋波段0.6～5微米。通過紅外光譜不僅可以“看出”物體的溫度等物理信息，還可以分析目標(biāo)的化學(xué)組成。由于光線微弱，韋布望遠(yuǎn)鏡需要“盯著”目標(biāo)數(shù)百個(gè)小時(shí)積累光能。所搭載的微快門陣列使其可以同時(shí)觀察100個(gè)目標(biāo)以提高效率，因此成為太空中第一臺(tái)具有如此非凡能力的科學(xué)儀器。

中紅外儀器具有相機(jī)和光譜儀的功能，由歐洲和美國(guó)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)合作完成，工作波段為5～28微米。它的相機(jī)模塊具有極高的靈敏度，可探測(cè)到微弱的光并提供寬視場(chǎng)圖像；光譜儀模塊搭載3個(gè)摻砷硅（Si：As）探測(cè)器陣列，可在小視場(chǎng)內(nèi)提供中等分辨率光譜和觀測(cè)信息。

近紅外成像儀和無縫隙光譜儀由CSA制造，針對(duì)不同的波長(zhǎng)范圍有不同的工作模式；精細(xì)制導(dǎo)傳感器將結(jié)合星敏感器，確保韋布望遠(yuǎn)鏡能夠精確地長(zhǎng)時(shí)間指向觀察目標(biāo)，收集足夠的光能，得到高質(zhì)量的圖像。

上天之后，它會(huì)看到什么

由于宇宙的膨脹，物體之間的空間被拉伸，這導(dǎo)致136億年前宇宙中第一批恒星發(fā)出的光到達(dá)太陽(yáng)系時(shí)會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的“紅移”，即光的波長(zhǎng)相對(duì)于它發(fā)出時(shí)變長(zhǎng)了?？梢灶A(yù)計(jì)，宇宙中最初的恒星發(fā)出的紫外光和可見光已經(jīng)變?yōu)榻t外和中紅外光。宇宙中的紅外望遠(yuǎn)鏡能夠發(fā)現(xiàn)它們。

如果譜線紅移波長(zhǎng)是原有波長(zhǎng)的2倍，則稱為1倍紅移；如果譜線紅移波長(zhǎng)為原有波長(zhǎng)的3倍，則稱為2倍紅移。韋布望遠(yuǎn)鏡可觀測(cè)15倍紅移的光（紫外光已經(jīng)變?yōu)橹屑t外光），確保它有足夠的實(shí)力還原宇宙中誕生第一顆恒星時(shí)最初的模樣！

此外，韋布望遠(yuǎn)鏡還可以幫助我們研究星系的形成。20世紀(jì)初期，人們認(rèn)為宇宙就是銀河這座孤島，在其外只是零星的模糊亮斑。1923年，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃在仙女座中觀測(cè)到了一顆有規(guī)律的明暗變化的恒星，判斷出它距離銀河系很遠(yuǎn)，是一個(gè)獨(dú)立的星系。這一發(fā)現(xiàn)如哥白尼提出“日心說”般，讓人類重新認(rèn)識(shí)到宇宙的浩瀚。

星系所呈現(xiàn)出的各種形狀，一般被認(rèn)為是近10億年前星系之間相互干擾和合并造成的。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)拍到了一些星系模糊的形狀并整理得到了一些規(guī)律。作為繼任者，韋布望遠(yuǎn)鏡將會(huì)更清楚地看到種類繁多的星系。

韋布望遠(yuǎn)鏡的另一類重要任務(wù)是研究系外行星的大氣層并尋找其他可能有生命存在的行星。通過光譜學(xué)研究，我們可以推測(cè)目標(biāo)的顏色、四季變化、植被和天氣等信息（如果有的話）。

韋布望遠(yuǎn)鏡同時(shí)也將利用光譜學(xué)技術(shù)，通過分析對(duì)比不同物質(zhì)獨(dú)特的光譜線，了解太陽(yáng)系中天體的化學(xué)組成，更詳細(xì)地解讀“人類的家園”。

韋布望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在已經(jīng)順利進(jìn)入L2工作點(diǎn)，并且正在進(jìn)行子鏡對(duì)焦和共相工作，期待此后的工作一切順利。