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發射！經費從5億一路漲到100億，詹姆斯·韋伯望遠鏡終于出發了！
韋伯望遠鏡為什么耗費巨資，卻又一鴿再鴿？
這個價值100億美元的望遠鏡對人類有什么價值？
發射后如何展開工作？
2021年12月25日，這注定是人類航天史的歷史性時刻——在推遲發射14年后，被人們稱為“鴿王”的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，終于搭乘歐空局阿里安5-ECA火箭成功升空，開始了它前往150萬千米外“日-地拉格朗日2點”的旅途。
Part.1
迄今為止全世界最貴望遠鏡，究竟有多貴？
20個國家持續25年的投入和數萬名科學家的傾力合作，造就了這個史上制造單價最貴的航天器。
有多貴？
目前，包括后續的運營和科研費用，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（以下簡稱為詹姆斯·韋伯）的總經費預計已超過100億美元。
考慮到它的質量僅為6.5噸，也就意味著它的單價超過人民幣10000元/克，是黃金單價的20余倍！
（圖片來源：NASA）
詹姆斯·韋伯究竟有什么樣的特殊使命，能讓這么多國家傾注如此大的人力、物力、財力在它上面？它又能為人類帶來什么呢？
Part.2
貴有貴的道理——韋伯的觀測能力遠超前輩
宇宙是個充斥著各種電磁波和高能粒子的喧鬧世界，那里既藏著遙遠的歷史，也昭示著人類乃至太陽系的未來。
對于望遠鏡來說，可見光到紅外線頻段是觀測的重點，尤其是追蹤宇宙大爆炸后殘留的紅外線，它們已經在宇宙中傳播了138億年，蘊藏著宇宙最初的奧秘。
然而，地球大氣層、磁場、人類活動等因素，卻使得地球成了一個典型的“信息繭房”。在廣闊的電磁波頻段中，只有極小一部分能順利抵達地球表面并被望遠鏡觀測到，其他的則幾乎都被屏蔽在外。
（圖片來源：維基百科）
解決這個問題的辦法只有一個：把望遠鏡送出地球。
不同望遠鏡的使命也不同，這次被送出地球的詹姆斯·韋伯的觀測波段主要集中于波長為0.6-28.3微米的橙色光到紅外線頻段，它的更大口徑和一系列新技術帶來了遠超前任哈勃、施皮茨、赫歇爾等知名太空望遠鏡的觀測能力。
例如，它能夠看到更暗更古老的天體，甚至可以追蹤到宇宙中第一批星系形成的痕跡，投入工作后將會極大提升人類紅外天文學的相關研究。
前所未有的造價和劃時代的意義，也讓這個望遠鏡“榮幸”地以NASA（美國國家航空航天局）第二任局長詹姆斯·韋伯命名。詹姆斯·韋伯于1961-1968年在任，領導了NASA最輝煌的階段。在這一時期，NASA曾獲得空前絕后的資金支持，不僅推動了水星計劃、雙子座計劃、阿波羅登月計劃、先鋒計劃、水手/旅行者計劃等一系列大型項目的開展，也為美國在航空航天領域的人才技術優勢打下堅實基礎。
Part.3
造價100億美元，這些錢都花在了哪里？
雖然100億美元看起來很多，但實際上對于研制詹姆斯·韋伯這樣的頂級望遠鏡的項目來說，并不能說非常寬裕，至少不是大家想象中的想怎么花就怎么花。沒辦法，前沿科學研究就是這么“燒錢”。
為了獲得更好的觀測能力，詹姆斯·韋伯在各項方面都進行了升級、更新，可以說每筆錢都用在了刀刃上。
1、更大口徑的鏡片
光學和紅外望遠鏡的核心是鏡片，其口徑與觀測能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望遠鏡，詹姆斯·韋伯的鏡片口徑從2.4米提升到了6.5米，集光面積也從4.5平方米攀升到了25.4平方米。
需要注意的是，口徑增加帶來的整體難度和造價提升并不是線性增長關系，光是這一項，就直接決定了詹姆斯·韋伯的預算遠超哈勃。
（圖片來源：NASA）
鏡片太大，幾乎很難整體制造，不僅失敗風險大、材料成本極高，也勢必帶來整體質量和體積的攀升，甚至遠超人類現有火箭的發射能力。因此，詹姆斯·韋伯的鏡面設計選擇了拼接方案，由18面一模一樣的六邊形組成，發射時折疊起來，進入太空后再拼接到一起。
2、堪稱“鬼斧神工”的鏡面材料
詹姆斯·韋伯在制造、發射和工作時要面臨截然不同的溫度環境。特別是它的核心器件工作溫度已非常接近絕對零度，對鏡面材料的要求極高，因此需要同時具備抗彎剛度高、熱穩定性好、熱導率高、反射率高、密度低、溫度形變小、性質不活潑等特點。
而在精度要求上，最后鏡片成型的制造加工精度要達到10納米級別，這個要求所允許的誤差相當于一張A4紙厚度的萬分之一！而且在進入太空后，整體拼接和鏡片姿態控制的精度也要達到同等水平。
綜合上述要求，詹姆斯·韋伯的鏡片主要材料選擇了堿土金屬鈹，10納米幾乎就是幾十個鈹原子并排擺在一起的寬度，這是接近“鬼斧神工”級別的制造加工工藝要求。
3、一把屏蔽熱量的“太陽傘”
遠離地球，不代表能徹底擺脫地球的干擾，詹姆斯·韋伯還要面對太陽光和地球反射光/熱輻射的干擾。為此，它需要背上一個大大的“太陽傘”來屏蔽熱量，并使用主動冷卻系統維持核心部件接近絕對零度的工作環境。
（圖片來源：NASA）
按照設計要求，這把傘需要提供300攝氏度以上的溫度屏蔽效果。這相當于一面是高溫油炸，另一面卻是冰天雪地。它的每一層材料主要由聚酰亞胺、硅膜和鋁膜構成，首層最厚也僅為50微米，比人類頭發絲直徑還小，而中間層僅為25微米。
更大的難度還在后面——這把“太陽傘”如何順利展開？
“太陽傘”每一層的面積約300平米，在發射時會被塞進火箭里劇烈振動，進入太空后要在激光引導下讓100余個小型拖車帶著逐層展開。難度可想而知，這無疑是人類歷史上最厲害的一個遮陽板。
整體來看，詹姆斯·韋伯需要的都是最先進的科技，且各種研發都是“孤品”，它既沒有備份，也不會量產，必須保證100%成功率。除此以外，還要經過一系列極高成本的測試和維護。這些因素累加在一起，讓它的預算迅速攀升到了100億美元級別。
（圖片來源：NASA）
Part.4
看似“咕咕咕”，其實是必須一次成功的魄力
我們都知道，哈勃望遠鏡雖然遠在太空中，但也僅離地球表面大約575公里，可以說“緊挨”著地球。那詹姆斯·韋伯為什么不能像哈勃望遠鏡一樣，在離地球近一些的地方工作呢？
這是因為地球和所有的物體一樣都是熱源，在源源不斷往外反射陽光和輻射紅外線，否則就會持續變暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空氣分子和星際塵埃，對太空望遠鏡依然有一定影響。對于更加精密的詹姆斯·韋伯來說，這些影響尤其明顯。所以，它必須想盡辦法遠離它的誕生地——地球。
然而，“逃離”地球后，并非就萬事大吉了。進入錯綜紛繁的引力世界，航天器將受到太陽、地球、月球，乃至宇宙萬物的引力影響，這使得它的軌道很難穩定下來。對于質量和體積都很大的望遠鏡而言，頻繁地通過發動機工作維持軌道，不僅會導致發射時必須攜帶大量推進劑，也會極大地影響觀測質量。
（圖片來源：NASA）
因此，必須要在上述要求中找到一個平衡。權衡利弊后，科學家們選擇了日-地引力平衡的拉格朗日2點作為詹姆斯·韋伯的工作地點。這里距離地球150萬公里（月球距離地球不過38萬公里），遠離了地球這個熱源和灰塵源的干擾，溫度也低達零下220攝氏度以下，可滿足望遠鏡的整體工作溫度環境要求。此外，在“日-地拉格朗日2點”，太陽和地球兩大引力源和諧共處，共同牽引附近的航天器圍繞太陽穩定運動，航天器所需要的軌道維持成本極低。
不過，這給詹姆斯·韋伯帶來了另一大挑戰：這么遠的距離，一旦它出了任何問題，人類是不可能去維修的。這也意味著它變成了“一錘子買賣”，要求一次性成功，不能有任何失誤。
這和哈勃望遠鏡形成了鮮明的對比。當年哈勃升空后出現了一系列問題，于是在1993-2009年間，人類通過五次極其昂貴的航天飛機任務不斷維護并提升哈勃，才使得它獲得了今天舉世矚目的成就。
如今，航天飛機已經徹底退役，人類也失去了在太空中維修大型航天器的能力。不過，即便航天飛機再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2點”。畢竟，哈勃的工作地點距地球不過幾百千米遠，這和詹姆斯·韋伯與地球之間的150萬千米的距離，是完全不同的概念。
某種程度上，這也是詹姆斯·韋伯鴿了又鴿的重要原因——一旦發射，承受不起一點失誤。
（圖片來源：作者自制）
所以，對于負責火箭發射的歐空局而言，這次的成功毫無疑問是令人興奮的，發射團隊緊繃了數年的神經終于可以好好放松一下了。畢竟這是個100多億美元的“一錘子買賣”，背后有著無數人幾十年的努力付出。
Part.5
在探索宇宙的路上，又邁出了新的一步
詹姆斯·韋伯的漫長研發史，是人類最頂級智慧的結晶。現在，它終于順利升空前往遙遠的目標工作地點。也許很多人會關注它的經費，感慨前沿科學研究的“燒錢”，但是，我們更應該認識到，我們為前沿科學付費，其實是在為人類上下求索的決心與夢想付費，如此看來，這價格也不能說是昂貴。
未來，詹姆斯·韋伯會給人類帶來什么？可以預知的是，它能更容易探尋到宇宙的邊界和最初的奧秘；無法預測的是，科學家們將在它的數據里獲得何等驚人的發現。它是人類夢想向宇宙深處的又一次延伸，是人類好奇心與探索精神的承載，是人類在探索世界的路上邁出的新的一步。讓我們祝福它遠航的路上一切順利，期待它帶來新的發現與啟迪！
參考資料：
1。 https：//www.jwst.nasa.gov
2。 https：//en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
3。 https：//directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst
出品：科普中國
圖文制作：太空精釀
監制：中國科學院計算機網絡信息中心
本文首發于中國科普博覽（kepubolan）
責任編輯：郭明煜
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