鴿了14年，耗資100億美元！詹姆斯？韋伯望遠鏡終於發射，將帶來哪些新發現？

「本文來源：文匯報」

JWST工作狀態圖片（圖片來源：NASA）

剛剛，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST，根據國家天文科學資料中心，其標準譯名為“韋布空間望遠鏡”）發射升空。號稱世界上最可靠的重型運載火箭之一的阿麗亞娜5型火箭（Ariane 5）徐徐升起，藉助法屬蓋亞那庫魯航天中心低緯度帶來的高自轉速度，載著JWST飛向屬於它的太空。

隨著JWST一起上升的，還有無數天文學家、天文愛好者激動的心情。JWST的發射時間從2007年一直拖延到現在，近百億美元的耗費也遠遠多於當時5億美元的預期。對不少讀者而言，“詹姆斯·韋伯”這個名字似乎很早就在記憶中出現過了。JWST的建設也的確算得上一場漫長的征途。

哈勃空間望遠鏡（HST）是1990年發射的，但在美國空間望遠鏡研究所（Space Telescope Science Institute，STScI），對哈勃繼任者的討論從1989年就已經展開了。1996年，他們認為下一代望遠鏡應該是主鏡直徑4米以上的紅外望遠鏡。2002年選定科學團隊，2004年開始建造，2005年選定發射場，2011年18片主鏡製造完畢，2013年開始製造遮陽板，2015年組裝光學元件，2017年進行測試，2018年整體組裝測試，最終在2021年發射。但對那些一直在等待的人來說，這一切都是值得的，JWST誇張的引數也足以讓它配得上哈勃繼任者的稱號。

哈勃繼任者

JWST主鏡口徑達到6。5米，由18片鈹鏡片拼接而成，每片直徑1。32米，僅重20千克。選用金屬鈹為主鏡材料，是因為鈹質量較輕且強度較大，並且在低溫環境下仍能保持形狀。一般的鏡子應該能完全還原物體原本的顏色，但JWST的鏡片明顯是黃色的，這是因為它在鏡面上鍍了700個原子厚的金，這樣能提高鏡片對紅外線的反射能力，JWST主要觀測的就是紅外線。嚴格來說，JWST觀測的波長範圍從橙色的600奈米一直延伸到遠紅外的28。5微米。

JWST和哈勃，斯皮策觀測波段的對比（圖片來源：webb space telescope media kit/NASA）

觀測紅外線是件麻煩事，因為黑體輻射，所有300開爾文左右的物體都在發射紅外線。所以必須對望遠鏡進行冷卻。在太陽系內，最大的熱源就是太陽，必須把主鏡和太陽隔絕開來，於是科學家為JWST設計了5層遮陽板，每層大小約為21米×14米，厚度卻僅有幾十微米：最外側為50微米，其餘4層為25微米。面向太陽的一側，遮陽板溫度高達125℃，而主鏡一側的溫度可以低到-235℃。按常見防曬產品的標準來算，這5層遮陽板的SPF係數高達100萬，能將太陽輻射的影響降到原來的百萬分之一。

之所以要克服這麼多困難在紅外波段觀測，是因為來自早期宇宙的光在經過百億年的紅移後，早就變成了紅外線。在波長相同的情況下，望遠鏡口徑越大，空間解析度也就越高，在光學波段，JWST的解析度高達0。1角秒；6。5米的口徑同時帶來了前所未有的靈敏度，理論上，它能探測到地月距離那麼遠的一隻大黃蜂的發出的紅外線。除了傳統的相機，JWST還搭載了光譜儀和星冕儀，能讓它獲得更多科學資料。為了到達拉格朗日點L2點附近避開地球、月球光線的干涉，獲得最優的觀測環境，整個望遠鏡的重量被限制到了6。2噸，和一輛中巴車相當。

可摺疊望遠鏡

當然，想把望遠鏡發射到天上，僅僅減輕重量是不夠的，沒有火箭能裝得下這麼大的結構，JWST必須是可摺疊的，這帶來了更多困難。JWST的主鏡、副鏡、5層遮陽板，還有老生常談的太陽能板，都是可摺疊的。

JWST摺疊放置在阿麗亞娜5整流罩中的示意圖（圖片來源：webb space telescope media kit/NASA）

從打包狀態到完全展開是一個複雜的過程。發射不久後，JWST就會開啟太陽能板獲取能量。在這之後，JWST還會修正幾次軌道，因為阿麗亞娜5並不能直接把它送到L2點附近軌道，那樣會將望遠鏡的光學元件暴露在陽光下造成損害。在發射2。5天后，JWST展開兩個遮陽板支架，然後望遠鏡的可展開塔元件（Deployable Tower Assembly）會展開，將JWST的光學部分和其他部分分離開來，為5層遮陽板提供空間。全部5層遮陽板會在發射後一週內展開。副鏡和主鏡會在第二週內展開。發射29天后，JWST將進行最後一次機動，駛入L2點軌道，該軌道在月球軌道之外，距地球大約150萬公里，在地球引力的幫助下，JWST將繞著太陽一起旋轉。

在那之後，JWST仍不能開始工作，它要開始漫長的冷卻。遮陽板的暗面大約會在那之後3周冷卻到40開爾文左右，而JWST的MIRI裝置還需要額外製冷劑冷卻到7開爾文。在那之後望遠鏡將會對變形過程中產生的誤差進行修正，主鏡和副鏡會在發射4個月後完成除錯，那時它們位置排列的誤差會小於觀測波長，僅有幾奈米。在經過幾個月的除錯、測試後，JWST將會在發射約半年後開始正式科學觀測，為我們揭開宇宙早期的秘密。

科學目標

JWST能幫人類尋找宇宙中第一批形成的星系，揭開宇宙黑暗時代之後再電離時代的秘密。因為紅移的作用，在宇宙中選擇不同波長的光進行觀測，就好像坐上了時光機，JWST將觀測波長縮短，就能觀測宇宙的不同階段，研究星系、恆星是如何在宇宙百億年的歷史中演化的。它還能幫我們分析地外行星的大氣成分，為太陽系中其他成員拍下更清晰的照片。

這些科學目標聽上去似乎就是哈勃的工作，這也正是JWST被稱為哈勃繼任者的原因之一。哈勃空間望遠鏡革新了全人類對宇宙的認知，為我們帶來了數不勝數的震撼照片，而JWST能看到更深的宇宙，能穿透茫茫的時空，將隱藏在宇宙塵埃背後的秘密悉數揭開。就像哈勃、開普勒、TESS這些為人類作出偉大貢獻的望遠鏡一樣，JWST的資料將會儲存在米庫斯基空間望遠鏡資料庫（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST）中，向全人類公開。

JWST複雜的結構帶來的是前所未有的技術難度，北美和歐洲共14個國家的數千名科學家，工程師和技師，他們為JWST忙碌的時間超過了4000萬小時，他們在JWST上實現的技術突破更是數不勝數：熱開關，輕質低溫鏡片，製冷技術，紅外感測器……任意一個元件背後凝結的汗水都不可計數。

但複雜的結構帶來的是極高的出錯機率，在測試過程中，JWST被發現有344個點位可能出現故障。發射之後，JWST的軌道位於月球軌道之外，人類根本沒有對其進行修復的可能。這也是為何面對JWST，所有人都是慎之又慎，這幾個月來JWST的發射時間也從12月初慢慢推遲到了聖誕節當天。這是一個浪漫的巧合，因為對那些熱愛星空的人來說，JWST就是最好的聖誕禮物。

哈勃太空望遠鏡 來源：NASA

“鴿”了14年

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡以NASA早期管理人員之一詹姆斯·E·韋伯（James E。 Webb）的名字命名，他在1960年代監督了阿波羅計劃。早在2002年，差不多20年前，韋伯的名字就首次被用於“下一代太空望遠鏡”，這個計劃最初預算為5億美元，並準備在2007年發射。但由於各種原因，2019年8月28日才組裝完畢，升空日期一直“鴿”到了14年後的今天，比這臺紅外線空間望遠鏡的預計壽命還要長。原先，“韋伯”的預算費用是５億美元，現在已經花了96。6億美元，四捨五入就是100個億，專案嚴重超支，堪稱不折不扣的“鴿王”。

1、按最初計劃，韋伯望遠鏡本應在2014年升空，但後因預算等問題推遲。

2、2017年9月，美國航天局表示，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發射視窗將從2018年的10月推遲至2019年的3月至6月之間。宣告解釋說，韋伯望遠鏡及其遮光板的體積和複雜性超過多數探測器，比如僅遮光板釋放裝置就要安裝100多個，振動測試也要用更長時間，所以推遲到2019年春季從法屬蓋亞那庫魯航天中心用歐洲的阿麗亞娜5型火箭發射升空。

3、2018年3月28日，美國航空航天局再次宣佈韋伯在2020年之前不會發射升空。

4、2018年5月6日，受一系列技術問題的困擾，JWST的最新發射日期已經被推遲到2020年。

5、2018年6月29日，據國外媒體報道，哈勃望遠鏡的“接任者”詹姆斯·韋伯望遠鏡將推遲至最早2021年3月30日發射。

6、2021年10月12日，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡成功抵達位於南美洲的法屬蓋亞那，計劃12月18日在歐洲航天局阿麗亞娜5號火箭上發射升空。

7、2021年11月22日，NASA再次宣佈詹姆斯 · 韋伯太空望遠鏡的發射時間從12月18日推遲到了22日。

8、2021年12月15日，由於需要解決韋伯望遠鏡和阿麗亞娜五火箭之間的通訊問題，發射推遲不早於12月24日（來來回回好像有兩次）。

9、2021年12月22日，詹姆斯韋伯太空望遠鏡JWST透過發射準備評審，但是，由於天氣原因，發射推遲到12月25日。

編輯：沈湫莎

綜合：環球科學、NASA航天愛好者、bilibili （作者：光-時間-空間）