誕生24年，預(yù)算100億美元，韋伯望遠(yuǎn)鏡為何讓人又愛又恨？ -廣東奇力新代理商/深圳風(fēng)華代理商/深圳奇力新代理/風(fēng)華高科代理/ 國巨代理，深圳華新科代理，深圳風(fēng)華代理，深圳電容電阻電感

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射又推遲了。

韋伯望遠(yuǎn)鏡在業(yè)界素有天文學(xué)吞噬者之名——NATURE刊載的文章 (Lee, 2010. Space science: The telescope that ate astronomy. doi:10.1038/4671028a) 都對此大加吐槽，實在是韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射日期一拖再拖，預(yù)算更是一超再超。天文學(xué)界雖然寄希望于其先進(jìn)的技術(shù)帶來較多激動人心的新發(fā)現(xiàn)，但又被這個臃腫拖拉的項目搞得苦不堪言。

從1997年立項，到如今的“計劃不早于2021年12月24日發(fā)射”，詹姆斯·韋伯天文望遠(yuǎn)鏡究竟是如何一步步成長為如今這個24歲，卻讓人又愛又恨的天文學(xué)吞噬者的？

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韋伯與哈勃——既生瑜，再生個亮？

1990年，美國發(fā)射了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。從那時到現(xiàn)在的30年間，哈勃望遠(yuǎn)鏡為我們提供了很多前所未見的觀測結(jié)果，極大地推動了天文學(xué)的發(fā)展，可謂是一位功勛卓著的老臣。但哈勃望遠(yuǎn)鏡并非一開始就這么優(yōu)秀。事實上，在哈勃望遠(yuǎn)鏡上天的最初兩年，它的性能比較糟糕，NASA在地面通過指令對其進(jìn)行的調(diào)節(jié)實在是杯水車薪。1991年前后的美國航天事業(yè)如日中天，NASA的一部分人提出，可以借助航天飛機(jī)，直接上天去維修哈勃望遠(yuǎn)鏡。于是有了1993年12月的第一次航天飛機(jī)維護(hù)任務(wù)。

圖注：第一次維護(hù)任務(wù)中，宇航員馬斯格雷夫和霍夫曼正在安裝校準(zhǔn)透鏡。畫面下方是航天飛機(jī)，中上方則是哈勃望遠(yuǎn)鏡。

但另外一些科學(xué)家和工程師則不看好這樣的行動，他們認(rèn)為這樣的任務(wù)風(fēng)險過大，實在無法保證成功。這些人牽頭成立了一個委員會——“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡及未來”，專門評估維修任務(wù)的可行性，以及假如維修行動失敗了，下一代空間望遠(yuǎn)鏡應(yīng)當(dāng)如何造。

沒想到維修任務(wù)是一次徹頭徹尾的成功，哈勃天文望遠(yuǎn)鏡傳回的圖像，將宇宙的美從九天之上摘下，震撼了全人類的眼球。

圖注：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡最著名的作品之一——“創(chuàng)世之柱”（最早拍攝于1995年，后來又多次拍攝同一個區(qū)域，疊加出了更寬的視野和更銳利的畫面）

好吧，這下這個委員會只好轉(zhuǎn)型了。當(dāng)然，就不能再簡單討論一個哈勃的替代者，總得討論些更高端的。哈勃望遠(yuǎn)鏡主要針對可見光、近紫外和近紅外波段進(jìn)行觀測，但宇宙中很多天體的溫度很低（比如行星或者塵埃盤），它們發(fā)出的光輻射波長很長，屬于紅外光；還有一些天體非常古老，可以追溯到最早的星系，他們有著很大的紅移，因此整體光譜偏向紅外。要觀測這些天體，就需要一種更冷、更大的望遠(yuǎn)鏡。

圖注：韋伯望遠(yuǎn)鏡的早期設(shè)計概念

于是，韋伯望遠(yuǎn)鏡的規(guī)劃漸漸成型。

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為什么韋伯望遠(yuǎn)鏡要比哈勃望遠(yuǎn)鏡更“冷酷”

韋伯望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計成為一種可以將自身溫度降低到50開爾文之下的望遠(yuǎn)鏡。相比之下，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡一般保持穩(wěn)定約15攝氏度（約288開爾文）。只有這樣，韋伯望遠(yuǎn)鏡才能觀測到設(shè)計目標(biāo)的中紅外線（波長0.6-28.3微米）——這是為什么呢？

圖注：主流空間望遠(yuǎn)鏡和地面觀測系統(tǒng)目標(biāo)波段的對比圖。

我們高中都學(xué)過黑體輻射，世間的萬事萬物都在向外輻射電磁波，其中黑體輻射的電磁波的波長取決于物體的溫度。熾熱的物體發(fā)出的光波長短，能量高，比如太陽這種溫度的就主要發(fā)出可見光波段；低溫物體發(fā)出的光波長長，能量低，行星、塵埃盤等天體發(fā)出的光就主要是紅外光了。

圖注：當(dāng)然，韋伯望遠(yuǎn)鏡并不僅僅觀測黑體輻射。一些類似地球的系外行星的關(guān)鍵指標(biāo)性分子的光學(xué)特征譜線也位于紅外波段，例如水、甲烷、二氧化碳、臭氧等。

韋伯望遠(yuǎn)鏡也要遵守物理定律，它也會發(fā)出熱輻射。如果不做熱控處理，望遠(yuǎn)鏡自身發(fā)出的紅外線，很輕易就會淹沒想要觀測的外界的紅外線信號。

哈勃天文望遠(yuǎn)鏡位于約500千米高度的近地軌道上，通常維持15攝氏度工作，針對可見光和近紫外光進(jìn)行觀測。如果想要觀測近紅外光，就需要用液氮或者主動溫控對紅外相機(jī)進(jìn)行制冷才行。

圖注：哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測的船底座星云。上圖為近紫外、可見光波段觀測的結(jié)果；下圖為近紅外觀測的結(jié)果。很明顯，近紅外能夠看見更多的天體，以及更復(fù)雜的星云結(jié)構(gòu)。

韋伯望遠(yuǎn)鏡為了將觀測系統(tǒng)溫度降低到50開爾文以下，配備了五層厚厚的遮陽傘。

圖注：在諾斯羅普·格魯曼集團(tuán)的廠房里進(jìn)行展開的五層遮陽傘。值得一提的是，2018年3月，遮陽傘在測試中破了一層，直接導(dǎo)致進(jìn)度推遲至少六個月。

這五層遮陽傘，每一層都只有人類頭發(fā)那么薄。每層聚亞胺薄膜兩面鍍鋁，用于反射光和熱。最靠近向陽面的兩層薄膜（圖片最下方兩層）還摻入了硅，用于將太陽光帶來的熱量反射回太空中去。

圖注：經(jīng)過五層遮陽傘，光和熱被層層衰減

除此之外，韋伯望遠(yuǎn)鏡會被安置到地球第二拉格朗日點上的光暈軌道，圍繞第二拉格朗日點做圓周運動。這樣一來，太陽、月亮、地球都會總是處于韋伯望遠(yuǎn)鏡的同一側(cè)，使得來自地球和月亮反射的太陽光、地球和月亮自身的紅外線輻射都被這五層遮陽傘隔絕。

圖注：地球（藍(lán)色點）-太陽（黃色點）兩體體系的五個拉格朗日點（綠色點）

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好大一個望遠(yuǎn)鏡，怎么發(fā)射上去？

韋伯望遠(yuǎn)鏡將是人類迄今發(fā)射過的最大的空間望遠(yuǎn)鏡，其主鏡面有6.5米，遮陽傘則有14.162米乘21.197米。用于發(fā)射韋伯望遠(yuǎn)鏡的阿里亞娜-5運載火箭的整流罩最大直徑只有4.57米，長度只有16.19米。

圖注：韋伯望遠(yuǎn)鏡開發(fā)人員與望遠(yuǎn)鏡1:1模型的合影?？梢娡h(yuǎn)鏡還是非常大的。

進(jìn)不去！怎么想都進(jìn)不去吧！

設(shè)計之初，工程師們就想到了這一點——其實這也是大型望遠(yuǎn)鏡的通用做法了——折疊！

圖注：折疊后的韋伯望遠(yuǎn)鏡

韋伯望遠(yuǎn)鏡的遮陽傘折疊12次，就可以塞進(jìn)火箭整流罩里。而望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡由18個子鏡片構(gòu)成，發(fā)射前折疊堆放，發(fā)射后再展開。

圖注：韋伯望遠(yuǎn)鏡展開流程。先向外甩開遮陽傘，再將扣放的主鏡片抬起，將二級鏡片展開到位，隨后給遮陽傘加壓攤平，并固定二級鏡片，最后將主鏡片完全展開?？偟膩碚f跟我晾衣服的步驟差不多。

展開后的韋伯望遠(yuǎn)鏡以遮陽傘為界，遮陽傘下方，或者說向陽面，是正常溫度工作的衛(wèi)星平臺、太陽能板、天線、星敏儀等，用于維持望遠(yuǎn)鏡的能源、對地通信、導(dǎo)航定位等基本功能。

而在遮陽傘的上方，或者說背陰面，是在零下230攝氏度左右工作的望遠(yuǎn)鏡光學(xué)組件。

不得不說，這確實是一件精妙的尖端科技產(chǎn)品，足以稱得上一個“美”字。

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天文學(xué)吞噬者——填不飽的胃口

這么美的一件現(xiàn)代科技的結(jié)晶，怎么會被稱為“天文學(xué)吞噬者”呢？

其實這是NASA的傳統(tǒng)藝能了——預(yù)算超支。

圖注：韋伯望遠(yuǎn)鏡的18面主鏡片的其中一枚，超級光滑，映照出7名工程師的大頭。

1997年，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡立項。這個名字得名于主持阿波羅計劃發(fā)展的NASA第二任局長詹姆斯·韋伯。當(dāng)年定下的預(yù)算是5億美元，預(yù)計2007年發(fā)射。

1998年，預(yù)算擴(kuò)充至10億美元——這已經(jīng)超過我國天問一號火星探測器的預(yù)算了。

1999年，發(fā)射計劃延期到2007年或2008年。

2000年，發(fā)射計劃延期到2009年，預(yù)算擴(kuò)充到18億美元。

2002年，發(fā)射計劃延期到2010年，預(yù)算擴(kuò)充到25億美元。

2003年，延期到2011年。

2005年，延期到2013年，預(yù)算擴(kuò)充到30億美元。

2006年，延期到2014年，預(yù)算擴(kuò)充到45億美元。

2008年，預(yù)算擴(kuò)充到51億美元。

2010年，延期到2015或1016年，預(yù)算擴(kuò)充到65億美元。

圖注：到2010年，各項技術(shù)論證其實都已經(jīng)通過了。

2011年，延期到2018年，預(yù)算擴(kuò)充到87億美元。

2013年，88億美元。

2017年，完了，活沒干完，延期到2019年吧。

2018年，要不還是再推一年？2020年吧，順便錢也有點不夠了。

圖注：主鏡片的其中幾枚正在進(jìn)行極低溫測試。就在2018年，遮陽傘中的一層在低溫測試中破裂，導(dǎo)致返廠。

2019年，疫情來了，還是延期到2021年看看能不能好吧，順便預(yù)算擴(kuò)充到96.6億美元。

2021年10月，糟糕，星-箭間的通信系統(tǒng)有點小問題，延期到12月吧。順便預(yù)算擴(kuò)充到97億美元。

圖注：2021年10月12日，韋伯望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)轉(zhuǎn)移到法屬圭亞那的火箭發(fā)射基地，并在幾日內(nèi)安裝到歐空局的阿里亞娜-5運載火箭上，本來預(yù)計10月31日發(fā)射，但突然發(fā)現(xiàn)星-箭通信有問題。以小編的猜測，大概是NASA和ESA之間的通信協(xié)議沒有掰扯清楚。

現(xiàn)在，這顆星預(yù)計“不早于12月24日”發(fā)射...

諸位看看這可怕的預(yù)算膨脹問題，從5億擴(kuò)充到將近100億美金，膨脹了20倍，某寶雙十一的定金膨脹也沒有這么夸張??！

圖注：斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（2003年）與哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、韋伯空間望遠(yuǎn)鏡口徑大小的對比

韋伯望遠(yuǎn)鏡目前看來確實很厲害，很可能將會提供給人類一個強(qiáng)有力的觀察宇宙的全新視角。天文學(xué)家們都對它寄予厚望，所以愿意不斷砸錢。NASA關(guān)于韋伯望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算實際上擠占了很多其它天文學(xué)科研項目的預(yù)算空間。然而，砸錢砸了半天，遲遲見不到效果——一連砸了24年，當(dāng)年力主此項目的科學(xué)家的孫子都能打醬油了。更要命的是，韋伯望遠(yuǎn)鏡就像個無底洞——你要是就此收手不砸了，那你前期投的錢就白費了；你要是繼續(xù)砸錢，那又不知道還要再砸多少。

要知道100億美元，已經(jīng)可以造大半艘福特級航母，或者12枚東風(fēng)-41洲際導(dǎo)彈了。

圖注：韋伯望遠(yuǎn)鏡的1:1模型2013年就已經(jīng)杵在德克薩斯州奧斯汀市了。

總之，祝韋伯望遠(yuǎn)鏡從12月24日起，度盡劫波，一切順利吧！

美編：陳添鑫

校對：李玉鈐