“鴿王”傳說：詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡

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。

它也是名副其實的“鴿王”，發(fā)射日期最初預(yù)計是2007—2011年，因經(jīng)費和技術(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，以下簡稱韋布望遠(yuǎn)鏡）。韋布望遠(yuǎn)鏡是美國國家航空航天局（NASA）與歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）的國際合作項目，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個子鏡拼接構(gòu)成，均為鈹鏡

主鏡總質(zhì)量：705千克（單個鈹子鏡質(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

遮陽罩尺寸：21.197米×14.162米

運行軌道：距地球150萬千米的拉格朗日L2點

工作溫度：小于50K（約-223℃）

工作時間：預(yù)計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)費也從數(shù)億美元膨脹到近百億美元。

1989年，美國空間望遠(yuǎn)鏡研究所（STScL）舉行了一場研討會，主題是討論當(dāng)時尚未升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）的繼任者。與會者認(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，NGST還不叫韋布望遠(yuǎn)鏡。

1990年，來自美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院的“十年調(diào)查”報告提出，NGST應(yīng)該是口徑為6米級的制冷型紅外空間望遠(yuǎn)鏡，而之前STScL研討會認(rèn)為它的口徑應(yīng)為10米級。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，項目經(jīng)費從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第二任局長和阿波羅計劃的主要發(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，韋布望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)費已經(jīng)達(dá)到65億美元，占據(jù)了NASA的全部預(yù)算，導(dǎo)致NASA很多其他項目被取消或推遲。例如2003年提出的WFIRST望遠(yuǎn)鏡項目，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)鏡項目險些被腰斬。由于耗資巨大，美國國會打算取消該項目，但科學(xué)界的大力支持讓美國國會做出妥協(xié)，并為韋布望遠(yuǎn)鏡設(shè)定了80億美元的經(jīng)費紅線，同時將發(fā)射推遲至2018年。后來又推遲至2019年、2021年，經(jīng)費也早已越過80億美元的紅線。

2012年，主鏡和支撐結(jié)構(gòu)制造完成，此時主鏡口徑最終確定為6.5米。2014年，開始制造遮光罩，燃料倉、陀螺儀、太陽能電池板等。一年后，韋布望遠(yuǎn)鏡的18個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天的時間到達(dá)日—地拉格朗日L2點。

第一個小時：從法屬圭亞那航天發(fā)射場起飛，由阿麗亞娜5號運載火箭推進(jìn)26分鐘。當(dāng)二級發(fā)動機(jī)關(guān)閉后，韋布望遠(yuǎn)鏡將與阿麗亞娜5號分離，并且在幾分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槔锰柲茈姵仃嚵泄╇姡芸毂銜瓿煽罩卸ㄎ灰约帮w行準(zhǔn)備。

第一天：將使用自身搭載的小型火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)行第一次軌道修正，此外還會布置高增益天線以便實現(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)動機(jī)（MRE-1），只使用肼作為燃料。gzslib202204041027

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

第一個月：重點是進(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。

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

第六個月末：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”了嗎

雖然韋布望遠(yuǎn)鏡一再“放鴿子”，但是人們對它還是充滿期待，因為它仍保持著非常先進(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)計成了部分折疊的形式。子鏡設(shè)計為六邊形，不僅保證了填充效率還具有高對稱性，只需設(shè)計三種子鏡面形即可。進(jìn)入軌道后，主鏡會重新展開，工程師利用紅外相機(jī)對已知恒星拍照，通過對比18個子鏡各自成像的情況，利用計算機(jī)算法將主鏡調(diào)整共焦。

為了保證對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。在18世紀(jì)，拉格朗日解決了“三體問題”，即三個物體互相圍繞旋轉(zhuǎn)而保持相對位置不動的布局。這個問題最終有5個解，即左圖所示的L1—L5這5個拉格朗日點。在這5個點上，兩個大質(zhì)量物體提供的引力，恰好可以維持第三個物體圓周運動所需要的向心力。韋布望遠(yuǎn)鏡將在L2點附近工作，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，面向太陽一面的溫度將達(dá)到110℃，而到了第五層時最低溫度可達(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)計時還有力學(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個碲汞鎘（HgCdTe）探測器陣列將用來發(fā)現(xiàn)處于形成時期的恒星和星系、觀測星系中的恒星數(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)百個小時積累光能。所搭載的微快門陣列使其可以同時觀察100個目標(biāo)以提高效率，因此成為太空中第一臺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，由歐洲和美國多個研究機(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，可探測到微弱的光并提供寬視場圖像；光譜儀模塊搭載3個摻砷硅（Si：As）探測器陣列，可在小視場內(nèi)提供中等分辨率光譜和觀測信息。

近紅外成像儀和無縫隙光譜儀由CSA制造，針對不同的波長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)鏡能夠精確地長時間指向觀察目標(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)太陽系時會發(fā)生很強(qiáng)的“紅移”，即光的波長相對于它發(fā)出時變長了。可以預(yù)計，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。

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

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，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃在仙女座中觀測到了一顆有規(guī)律的明暗變化的恒星，判斷出它距離銀河系很遠(yuǎn)，是一個獨立的星系。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)鏡同時也將利用光譜學(xué)技術(shù)，通過分析對比不同物質(zhì)獨特的光譜線，了解太陽系中天體的化學(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，并且正在進(jìn)行子鏡對焦和共相工作，期待此后的工作一切順利。