博雯 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

本世紀（乃至上世紀）最貴、最強的鴿王、哈勃望遠鏡的繼任者、韋伯太空望遠鏡（JWST）在圣誕節成功發射！

“最貴”，是指這一項目截止到目前為止的總成本已經超過100億美元，是僅次于阿波羅登月、航天飛機、國際空間站和GPS項目的美國/人類第五大航天項目。

“最強”還不僅是指它的能力，而是這個1996年立項，最初計劃2007年發射，結果一鴿就是14年的天文望遠鏡，終于“這次一定”了！

消息一出，不僅無數守著直播的天文愛好者奔走相告，連總統拜登都送上了祝賀：

NASA官宣的評論區最高贊還是我們的老熟人馬斯克：

現在，韋伯望遠鏡已經處在了距地球百萬公里之外的軌道之上，將接替哈勃望遠鏡，繼續作為人類的“宇宙之眼”工作。

但這位繼任者又不僅僅是哈勃望遠鏡年邁退休之后的“代替品”。

它走得更遠，也將看得更遠，最早甚至能將時間“回溯”到宇宙大爆炸的早期，136億光年之外！

發射直播全程

我們先來回顧一下這次發射直播的全程。

韋伯望遠鏡長這樣，一個20米 × 14米，重6500公斤的龐然大物：

今年10月份時，它被打包塞進了阿麗亞娜-5運載火箭（Ariane 5）火箭的尖端：

10月12日，阿麗亞娜5號火箭抵達法國的圭亞那航天中心?(Guiana Space Centre），將從ELA-3發射臺載著望遠鏡起飛：

12月25日，美國東部時間上午7點20分，韋伯望遠鏡搭乘著阿麗亞娜5號火箭順利起飛：

在發射后大約3分25秒時，火箭已接近了望遠鏡的目標軌道，于是尖端的外殼脫落，韋伯望遠鏡得以露出并繼續運行：

在約8分48秒時，二級火箭脫落：

最終，在發射27分鐘后，韋伯望遠鏡終于完全脫離火箭，開始自主運行：

目標則是距地球150萬公里遠的2號拉格朗日點：

△L2：2號拉格朗日點

自此，發射已經基本完成，望遠鏡正以4萬公里/小時的速度向最終目的地移動，并在抵達目的地之后完成一系列的部署任務。

這一過程將耗費兩周左右。

而韋伯望遠鏡這次的主要任務正如文章開頭所說，將去探尋宇宙中更遠，更早的星系。

這個“更早”是什么意思呢？

光的傳播是需要時間的，因此，當用天文望遠鏡觀察上億光年外的遙遠星系時，看到的正是走了上億年的光，也就是遙遠星系上億年前的樣子。

與哈勃望遠鏡相比，韋伯望遠鏡觀察得更遠，足足到了136億光年之外，而這個距離已經能觀察到不少宇宙大爆炸早期的“遺跡”：

△HST：哈勃望遠鏡

追尋“大爆炸”早期遺跡

為什么哈勃望遠鏡能一直追溯到大爆炸的早期遺跡？

原因主要有兩個，一個是其先天組成結構的“優勢”，另一個則是它“飛得更遠”。

韋伯望遠鏡到底什么樣？

我們先從哈勃望遠鏡的組成結構說起。

哈勃望遠鏡由一個黃色的主鏡和下方巨大的遮陽板組成。

其中主鏡共由18個六邊形鈹反射鏡組成，每片鏡子大約有一張咖啡桌大小。

這18個鏡片必須以極高的精度，也就是最多只允許在人類頭發絲直徑的1/10000的誤差范圍內進行對齊，最終組裝成一個直徑6.5米的完整主鏡：

它是人類目前最大的太空望遠鏡，直徑6.5米，鏡面面積是哈勃望遠鏡的6倍多。

由于具有更大的鏡面，韋伯望遠鏡的靈敏度將是哈勃望遠鏡的10到100倍，能夠發現天空中更微弱的物體。

此外，鏡子上有一層厚度僅頭發絲直徑的1/200的黃金涂層，能反射紅外線。

也就是說，韋伯望遠鏡設備在電磁波譜空間站的紅外光范圍內（0.75~數百微米）工作，并擁有一定的可見光范圍能力。

而哈勃望遠鏡則主要在紫外線和可見光的光譜范圍內工作。

這種反射波長的差異有什么用呢？

舉個例子，宇宙中剛形成的星體常常會隱藏在吸收可見光的塵繭（cocoons of dust）之后，但這些區域發出的紅外線可以穿透這層塵土覆蓋物，顯露出里面的東西。

△左：可見光 右：紅外光

而根據愛因斯坦廣義相對論，宇宙有一段從熱到冷的演化史，在這個時期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。

離地球越遠物體膨脹的速度更快，所以來自遙遠星系天體發出的光就會被膨脹的宇宙“拉長”，也就是說，其原始波長在抵達我們的望遠鏡時，會從可見光/紫外線轉化為紅外線。

因此，像韋伯望遠鏡這樣主要觀測紅外線波長的設備，就比哈勃望遠鏡能“回溯”到更早的時間。

可以說，韋伯望遠鏡“看得更遠”的一個重要原因，就是主鏡的存在。

但同時，另一個面積巨大的儀器的作用同樣不容小覷，如果主鏡是望遠鏡的“眼球”，那么它就相當于望遠鏡的“眼皮”。

沒錯，就是這樣一個長22米、寬12米、可打開會合攏的遮陽板：

由于任何有溫度的物體都會散發出紅外線，所以“眼球”必須要遠離地球、太陽等熱源，否則就會難以區分真正來自遙遠星系的紅外線。

這種時候，遮陽板就要發揮它的作用了。

完全展開后，遮陽板共有300平米，相當于一個網球場，或者半個波音737飛機那么大。

一方面，它將使望遠鏡免非目標物體的干擾，另一方面，也是在太陽的光和熱下保護主鏡的光學器件。

運行軌道不同

“飛得更遠”，也即其運行軌道的不同。

哈勃望遠鏡是在距地球570千米的近地軌道上繞地球運轉的：

而韋伯望遠鏡不同，它會在2號拉格朗日點與地球、太陽保持固定位置的同時，繞著太陽運行：

處在L2點就相當于永遠在地球的背陽面，被地球遮擋了大部分的太陽輻射，極大減少了來自太陽的紅外線影響。

此外，這個點的引力場也相對穩定，而且既可以和地球無間斷通信，還沒有近地軌道的星際塵埃和太空垃圾，觀測位置和視野較好。

而這正是韋伯望遠鏡的最終目的地選在2號拉格朗日點的原因。

來到L2點后，韋伯望遠鏡的遮陽板就會慢慢張開五層防護罩，擋住來自太陽和地球的剩余紅外線。

這一代“宇宙之眼”，也就正式開始了工作。

并非哈勃望遠鏡的“替代品”

長久以來，很多人都會認為是1990年發射的哈勃望遠鏡已經年邁，所以才需要韋伯望遠鏡這一“繼任者”來繼續當人類的“宇宙之眼”。

這種認知不無道理，畢竟哈勃望遠鏡自1990年發射以來，已經經歷過五次較大的維護，周身多個儀器經都經歷過維修和更換。

此外，隨著時間的推移，哈勃望遠鏡的軌道也在因為阻力而逐漸衰減，也就是說，如果不加速，哈勃望遠鏡將在幾十年內重新落回地球大氣層，被迫退休。

但其實，從上面的敘述中我們也能知道，兩架望遠鏡在能力上各有不同，因此，并不能完全將韋伯望遠鏡當作是填補哈勃望遠鏡退役之后空缺的一個“替代品”。

事實上，這次成功發射之后，兩架望遠鏡至少還要在太空中共事幾年。

“發射？下次一定”

而這次發射的成功也并非只是科研層面的重大意義，其背后的故事堪稱是天文學史上最令人揪心的“拖更”。

看看它的發射履歷你就懂了：

1996年立項，最初預計2007年發射，但一鴿14年（鴿過了一個世紀），期間發射日期更改不下16次，屬實是鴿王之王。

以至于“今天JWST發射了嗎”已經發展成一個網絡梗。

連科技媒體也開始調侃：韋伯望遠鏡一定能在本世紀前發射。

其實，JWST這個概念最早起源于1996年，由一個預估耗資5億美元，名為下一代空間望遠鏡（Next Generation Space Telescope）的提案演變而成。

這一提案的主要內容是研究初生宇宙中的星系誕生，并尋找其他恒星周圍的行星。

在1997年到1999年間，NASA相繼與美國各航天局、德黑蘭天文臺、洛克希德·馬丁等機構進行了合作。

2002年，這一項目被重新命名為James Webb Space Telescope，取自在阿波羅計劃期間擔任NASA第二任局長James E. Webb的名字。

同年，NASA也正式就這一項目與ESA（歐洲航天局）和CSA*（加拿大航天局）開展了合作。

直到2008年之前，JWST都可以算作初期研發階段，到2008年3月份，項目成功通過了初步設計審查（PDR），正式確認開工。

但實際上，JWST在早期開發中就出現了嚴重的成本超支，望遠鏡一開始預估耗資16億美元，但到2008年完成PDR時，實際已投入了50億美元。

額外的資金投入自然使得項目整體進度一拖再拖。

2010年，韋伯望遠鏡通過了任務關鍵設計評審（MCDR），也就是說，目前的設計已經能夠滿足其任務的所有科學和工程要求。

但由于其過高的成本投入和屢次拖延的進度，這一項目被要求進行獨立評審，當年的Nature還發表過一篇將JWST描述為《吞噬天文學的望遠鏡》的文章：

到了2011年，JWST終于進入了最終的設計和制造階段（CDR）。

這一年，JWST項目還差點被美國眾議院以“超支太多”為由直接取消，最終因為美國天文學會和多家國際媒體的聲援而作罷，并將資金上限設置到了80億美元。

到2016年，韋伯望遠鏡的最終建造終于完成，開始走測試流程。

這下鴿的花樣就逐年增多：

2018年3月份：由于望遠鏡的遮陽板意外撕裂和一部分電纜上的問題，一年前宣布的“2019年發射”被改到了2020年5月。

同年6月份：經獨立審查委員會的評估，哈勃望遠鏡存在300多個潛在故障。因此發射時間再次被推遲到了2021年3月份。

2019年8月份：最初預計在2007年完成的機械集成工作終于完成了，NASA興奮地表示“下一次這一結構展開的日子，就是韋伯望遠鏡在太空中凝視宇宙之時”。

結果到了2019年末，疫情來了。

還能怎么呢，只能繼續下次一定了。

2021年年初：發射時間被推遲到了2021年的10月31日。

在這一年的3月份，韋伯望遠鏡還被輿論要求改名，理由是其名稱來源的James Webb被指控“曾參與過對LGBTQ群體的迫害”，不過這一決定后來被NASA駁回。

進入2021年下半年后，鴿的技巧就更細膩了。

9月8日：發射時間被改為了12月18日。

11月23日：一個將望遠鏡固定在火箭上的“帶夾鉗的意外松開”又引起了整個天文臺的振蕩，因此發射日期被修改描述為“不早于12月22日”。

12月15日：望遠鏡和火箭之間出現了通訊問題，發射日期推遲為“不早于12月24日”。

12月18日：確定在美國東部時間12月24日，上午6點30分發射！

兩天后，又推遲了一小時，改成了7點20分：

12月22日，由于天氣原因，發射日期再次推遲到12月25日：

而這次終于沒再鴿了，韋伯望遠鏡終于成功進入了宇宙之中。

未來這一代“宇宙之眼”又將為人類看到哪些新的宇宙奇觀，我們拭目以待。

參考鏈接：

[1]https://www.jwst.nasa.gov/content/about/comparisonWebbVsHubble.html

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope#Time,_budget

[3]https://spacenews.com/jwst-launch-rescheduled-for-dec-24/

[4]https://everydayastronaut.com/james-webb-space-telescope-ariane-5-eca/

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