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韋伯望遠鏡即將發射梭哈百億美元上天，是為了看啥？

2021-12-25 11:06:50 來源：科普中國

筆者第一次聽到詹姆斯·韋伯天文望遠鏡，是在童年時期的科普讀物《天文愛好者》中。經過25年的籌備，歷經數十次延期與追加幾十億美元的投資后，根據NASA的官方消息，這架望遠鏡終于被運送至法國圭亞那庫魯發射場，預計于2021年12月25日發射。

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這座20世紀90年代開始立項，原計劃于2007年發射的頂尖天文望遠鏡，擔負著探尋宇宙邊界、尋找大爆炸初期殘留在宇宙邊緣紅外線的重要任務。

Part.1

梭哈百億美元上天，到底是為了看啥？

1996年，在聯邦太空探索計劃的支持下，美國宇航局、歐洲航天局與加拿大航天局展開國際合作項目，計劃研究并發射“下一代太空望遠鏡”。

2002年9月，這一項目以前美國宇航局局長詹姆斯·韋伯的名字重新命名，這便是天文學界大名鼎鼎的“詹姆斯·韋伯天文望遠鏡”項目。

韋伯工作的地方在太空之中，距離地球150萬公里的拉格朗日2點處。之所以選擇這么遠的地方，和韋伯的特殊任務有關。

在天文學的研究中，紅外觀測是研究太空深處變化至關重要的一環。宇宙的真空中遍布著由天體運動變化所形成的塵埃團，這些塵埃能夠吸收大部分的可見光，并遮蓋住隱藏在背后的大量恒星與行星。而星體發射出的紅外光能夠穿透這團灰塵，幫助天文學界揭示隱藏在塵埃之后的奧秘。

在宇宙中捕捉星體發射的紅外光并非易事，特別是觀測的目標比較遙遠時。由于光源物體遠離觀測者運動，觀察到的電磁輻射頻率會因此降低，從而產生“紅移”現象，即光源物體光譜會從高能量的紫外線及可視光頻段減少至低能量的近紅外段。

因此，對這些遙遠目標（例如宇宙最初星系）的觀測需要超高精度紅外望遠鏡。這要求韋伯望遠鏡必須足夠大，并采用無鏡筒的開放式設計。

哈勃對猴頭星云的可見光（左）和紅外視圖（右）的對比。紅外視圖能夠觀測到更多的星系

（圖片來源：NASA）

在觀測宇宙大爆炸起源的第一代恒星時，由于紅移效應的存在，0.5微米的可見光會紅移至10微米的波段，且任何的可見光都會對其產生影響。由于地球發射的紅外光峰值也在10微米左右，這意味著地球本身就是一個強烈的紅外光污染源。

同時，這座望遠鏡必須在零下220度左右運行，以避免望遠鏡內部零件溫度輻射對紅外信號的干擾。

拉格朗日點是太陽系中行星體引力產生平衡的點，在這一位置運行的物體會維持其穩定的運行狀態，并與地球同步進行公轉。在這一點韋伯望遠鏡的單向太陽盾能夠同時阻擋來自太陽、地球和月球的光污染，獲得更高精度的光譜觀測結果。

韋伯將在距離地球150萬公里的拉格朗日2點（L2）處繞太陽運行，并與地球保持同步。

（圖片來源：NASA）

韋伯望遠鏡是光學望遠鏡，發射成功后，它將成為哈勃望遠鏡的替代者與繼任者。同時，韋伯能夠探索到更長的光學波長，將超越哈勃的現有工作。

但是，由于拉格朗日點不在任何載人航天載具的運行范圍（40萬公里）內，這意味著如果出意外，沒法對韋伯望遠鏡進行維修。所有的發射、展開與部署任務必須自行完成且一次成功，一經“出廠”終生不維護。

韋伯望遠鏡的總投入已超過88億美元，這無疑是一次“百億美元”級的豪賭。在NASA研究者的預想中，這架價值百億美元的望遠鏡預計使用壽命是五年。

Part.2

龐大的硬核科技：韋伯聚集了人類最為極限的工藝結晶

為了探索宇宙大爆炸起源，韋伯望遠鏡聚集了人類現能達到的極致工藝水準。

韋伯望遠鏡由一個觀測主鏡、一個網球場大小的五層太陽盾遮光板、以及包含觀測設備在內的四臺頂級儀器組成。

它的主鏡片直徑為6.5米，受限于火箭尺寸，這一鏡片被細分為18面六邊形分鏡。為了抵御零下220度鏡面的變形，鏡片使用堿土金屬鈹進行制作，這一核心材料具有極強的抗彎剛度、極高的熱穩定性、極好的熱導率與極低的密度。

同時，鏡面加工的拋光誤差被控制在10納米內，約等于數十個鈹原子的長度。在這些鏡片表面上，使用了黃金蒸發再凝固的極致工藝，鍍上了一層標準120納米厚度的黃金涂層。為了對10納米內的微小形變進行校正，工程師還在子鏡片后加裝了7個微型電機，通過調節子鏡面的曲率與方位來保證鏡片的極致平整。

（圖源：NASA）

為了最大限度地隔絕來自太陽與地球的紅外輻射污染，工程師為韋伯望遠鏡配備了300平米面積的五層太陽盾。這一太陽盾由電鍍形成的硅膜與鋁膜組成，其厚度約為25微米至50微米之間，大約是人頭發粗細的1/3左右。

這五層經過細致加工的太陽盾，能夠將太陽輻射衰減近百萬次，并在正面與背面形成300攝氏度的溫差，從而將望遠鏡的工作溫度始終維持在零下230攝氏度左右。

（圖片來源：NASA）

此外，設備內部還配置了一臺用于記錄微弱信號的光譜儀、一臺能夠同時觀測100個目標的可編程微快門照相機、一臺能夠將溫度降低至接近絕對零度的冷卻器、以及一臺低溫下工作的高敏度紅外線傳感器。

抵達工作點后，韋伯望遠鏡會花費數十日的時間，從壓縮包展開成為一個網球場大小的龐然大物。

詹姆斯·韋伯望遠鏡以其頂尖的加工工藝與高昂的造價，成為了人類航空航天與天文領域歷史上排名前五的項目。極致的技術參數使它能夠傲視此前所有的太空望遠鏡，同時其有望將目前人類可觀測的宇宙半徑460億光年進一步擴大，并推進至宇宙時空的邊緣。

Part.3

緊隨其后：中國未來的空間光學望遠鏡

空間光學望遠鏡因其觀測環境純粹、受干擾小，是現代天文學發展的絕對主力。

雖然我國的深空探測起步較晚，但發展速度不容小覷。

中科院經過數十年的技術積累與探索，成功立項的空間科學戰略先導科技專項擬發射4顆衛星，其中第一顆于2015年升空的探測衛星悟空號造價1億美元，成功完成了我國在深空暗物質探測領域的重大突破。

與此同時，陸續開展進行的天眼FAST與嫦娥工程探月項目，也標志著我國深空探索的諸多新成就。

預計到2024年左右，我國計劃發射“巡天”光學艙平臺，并與中國空間站共用軌道。這臺光學望遠鏡的分辨率與哈勃望遠鏡類似，預計視場為哈勃望遠鏡的300倍。

此外，中科院啟動了計劃2027年發射“增強型X射線時變與偏振天文臺”（eXTP）的規劃，計劃建造全球頂尖的旗艦級天文臺。這將成為我國天文望遠鏡研究的里程碑，并起到后發先至的效果。

道阻且長，但人類探索宇宙的腳步不止。

參考文獻：

[1] Gardner， J。 P。， Mather， J。 C。， Clampin， M。， Doyon， R。， Greenhouse， M。 A。， Hammel， H。 B。，。。。 & Wright， G。 S。（2006）。 The james webb space telescope。 Space Science Reviews， 123（4）， 485-606。

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