原創(chuàng) 白寧 品玩

作者｜白寧

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兩代空間望遠(yuǎn)鏡的糾葛

歷經(jīng)30天的太空漫游，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡在2022年1月25日凌晨3點終于到達終點：距離地球150萬千米的日地拉格朗日L2點。但還要再經(jīng)過5個月的部署和調(diào)測，它才能開始第一張照片的拍攝。

100億美元的造價，30多年時間的投入，一次次的延期以及預(yù)算擴充……諸多傳奇和噱頭集于一身，讓詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱“韋布”）尚在建造階段，關(guān)注度就足以和它的前輩哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡稱“哈勃”）比肩。

韋布的目標(biāo)之一是觀測星系的形成。圖源NASA。

人們對韋布寄以厚望，希望通過它觀測的數(shù)據(jù)研究星系的形成與演化，了解恒星及行星系統(tǒng)的形成，發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)以及生命起源乃至解開宇宙誕生之謎……

如此接近“捧殺”的期待姿態(tài)，背后依據(jù)的大概是造價只有韋布1/8的哈勃所取得的驚人成就：被稱之為“有史以來最重要的天文觀測設(shè)備”，給天文學(xué)幾乎所有領(lǐng)域都帶來了突破性發(fā)現(xiàn)。

目前哈勃已運行31年，在這段被數(shù)次維修延長的服役生涯中，它對三十多個星系進行距離測量，最終確定了宇宙目前的哈勃常數(shù)（宇宙膨脹的速率是通過哈勃常數(shù)來確定的）大約為73，隨機誤差僅為6%，系統(tǒng)誤差為8%，并參與了對宇宙加速膨脹推測的證實。

137.7億年的演化中，宇宙一直在膨脹。最初是指數(shù)級的爆脹，隨后的幾十億年里，隨著宇宙中物質(zhì)的引力拉動，膨脹速度逐漸減慢。圖源NASA / WMAP團隊。

通過哈勃提供的精細(xì)圖像，人們研究了數(shù)十個星系團的透鏡成弧現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，最終證實暗物質(zhì)的總量超過普通物質(zhì)的6倍左右。

而在一項長達15年的觀測項目中，哈勃又發(fā)現(xiàn)，銀河系附近一些普通的星系的核心幾乎都會發(fā)生運動速率突然增大的現(xiàn)象，這間接證實了黑洞的普遍性，推翻了黑洞屬于某個特定星球所有的推斷。

20世紀(jì)天文學(xué)最具標(biāo)志性的圖片：“創(chuàng)世之柱”(Pillars of Creation) ，由美國太空總署用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝于1995年，照片中的天體為 6500 光年以外的天鷹星云，即“M16星云”。圖源NASA。

哈勃提高了人們對韋布的期待值，也同樣是哈勃，為韋布日后所謂“鴿王”的大名埋下了伏筆。

1990年4月24日，哈勃由發(fā)現(xiàn)號航天飛機發(fā)射進入軌道。然而幾周后，哈勃傳回來的第一張圖像卻讓所有人都大跌眼鏡：畫面中的光并沒有聚集在一個膠面上，而是散成了一個個模糊的光暈——哈勃“近視”了？！

原來，哈勃的主鏡片在制作時發(fā)生失誤，導(dǎo)致邊緣部分比理想狀態(tài)差了約1/5根頭發(fā)絲的厚度。但就是這樣一個微小的錯誤，導(dǎo)致了災(zāi)難般的后果。

消息傳出之后，輿論嘩然。各大公共平臺紛紛譴責(zé)NASA，稱NASA花費重金制造了一個“哈勃麻煩”（Hubble Trouble），發(fā)射了一個史上最大的太空垃圾。為了挽回失誤，NASA決定派出人員搶修。

1993年12月，NASA啟動奮進號航天飛機，運送了7位宇航員來到哈勃身邊。5次艱難的太空行走之后，宇航員們?yōu)楣魃狭艘粋€專屬的矯正鏡片，它能與哈勃的鏡片產(chǎn)生相反的作用來矯正視力。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝圖像：左側(cè)為維修前的模糊圖像，右側(cè)是矯正后的圖像。圖源維基百科。

哈勃的失誤直接讓NASA推遲了韋布計劃正式提議的時間：1989 年，空間望遠(yuǎn)鏡研究所第一次討論哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）的繼任者（即后來的韋布），一年后討論口徑問題，但直到哈勃帶上矯正鏡片的2年后（1995年），天文學(xué)家才正式在國會給韋布報了價——5.64億美金，預(yù)計2007年發(fā)送。

這個報價顯然不太誠懇。要知道，他們在1975年首次給哈勃報預(yù)算時，給出的數(shù)字就已經(jīng)在4億美元以上了，最后的真實造價更是達到了12億美元。美媒在報道中直言：這是個旨在讓國會參與進來的報價。

后來的發(fā)展證實了媒體們的猜測。

100億美元，值嗎？

從正式立項開始，韋布的投入就一漲再漲，比最初報出的預(yù)算飆升了十幾倍，漲幅甚至破了NASA的記錄，一度引起NASA其他被砍預(yù)算的部門不滿，也讓美國國會頗有微詞。

2011年，美國眾議院甚至在投票之后決定削減19億經(jīng)費，讓NASA停掉這個項目，最終是在輿論壓力下，才收回決定。

韋布的預(yù)算飆升主要有兩個原因：

第一，NASA汲取了哈勃的教訓(xùn)，增加了調(diào)試的次數(shù)，確保萬無一失。

畢竟，比起哈勃，韋布更是無法承受任何失誤。哈勃距離地球559 千米，出了問題，還能花3年時間送個宇航員去修，而部署在150萬千米高空的韋布，一旦出現(xiàn)故障，宇航員都去不了，只能成為太空垃圾。

頻繁地調(diào)試，就需要一筆不小的開支。

第二，韋布的技術(shù)難度本身就比哈勃高太多。

和哈勃主要觀測可見光不同，韋布主要在紅外波段觀察宇宙。這一方面讓韋布可以通過波長較長的紅外線繞過塵埃，“以更近距離看到萬物起源”，另一方面也將韋布的技術(shù)難度提高了一個數(shù)量級。

韋布主要在紅外波段觀察宇宙，哈勃的觀測波段則集中在光學(xué)和紫外，不過兩者的觀測波段也有一定的重合。圖源NASA。

在物理學(xué)中，凡是高于絕對零度（即-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。為了過濾掉太陽這個特大紅外干擾源，以及來自月球和望遠(yuǎn)鏡本身的干擾，韋布需要一個巨大的遮光罩把韋布藏在陰影里，讓它能夠在低溫中暗中觀察。

韋布被送往距地球150萬KM的拉格朗日L2，也是出于過濾絕大部分紅外干擾的原因。在L2，它可以和地球、太陽保持三點一線的結(jié)構(gòu)。圖源NASA。

NASA為韋布制作的遮光罩呈菱形，完全展開之后，長徑21m，短徑14m，面積相當(dāng)于一個網(wǎng)球場。這也是韋布身上最關(guān)鍵、最復(fù)雜的組件之一。

遮光罩上下一共5層，前2層摻雜了硅的聚酰亞胺，在重重隔熱和制冷系統(tǒng)作用下，可以在迎光面溫度高達85℃的時候，保證背陰面穩(wěn)定在零下233℃以下，維持望遠(yuǎn)鏡的正常工作。

韋布遮光罩，圖源NASA

與此同時，為了觀測到2微米的紅外波段，韋布也被造得特別大，是有史以來送入太空最大的天文空間望遠(yuǎn)鏡。主鏡的直徑被擴充到了6.5m，面積是哈勃主鏡的6.25倍。這讓韋布能夠看到比哈勃觀測極限還要暗幾十倍的天體，在80km外看到一個乒乓球更是不在話下。

這樣的鏡面要求也極高：輕便、低溫下不變形、反射性強。最終鏡面選擇了鈹這種金屬，為了更好地反射紅外光，又為它涂上了一層非常薄的金，這讓它足以反射接收到的紅外光的98%。

哈勃與韋布的主鏡面大小對比。圖源NASA。

而除了觀測本身對部件的高制作標(biāo)準(zhǔn)，將韋布送到太空的需求，也增加了諸多技術(shù)難題。這么大的遮光板和鏡子不能直接放進火箭里，只能層層折疊后塞進火箭，到了太空中再展開。

其中，遮光罩極其纖薄，5層加起來只有150微米，不到指甲厚度的一半。折疊如此纖薄的網(wǎng)球場尺寸的遮光罩無例可循。

為了將望遠(yuǎn)鏡保持在所需工作溫度，韋布需要將遮光罩完美折疊，再在發(fā)射之后將它拉成風(fēng)箏的形狀，最后將五層很薄的遮陽罩一張張繃緊。期間需要大約7000個零件協(xié)同工作，僅用到的拉伸纜繩就有90種之多。

主鏡則是由18面正六邊形的小鏡拼成的，為了使展開后的主鏡精準(zhǔn)對焦，每塊小鏡有一個單獨的微調(diào)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)精度需要達到5納米。

18個鏡面，每個都有單獨的控制系統(tǒng)。圖源NASA。

展開部署過程中，任何活動都有可能發(fā)生導(dǎo)致整臺望遠(yuǎn)鏡報銷的“單點故障”。這種“單點故障”，在韋布身上共有344處。展開部署也因此成了人們最為關(guān)注的流程，youtube上的相關(guān)記錄視頻播放量都高達百萬。

圖源見水印。

1月9日，為期2周的展開工作結(jié)束時，NASA的工程師們明顯松了口氣，還專門開了個現(xiàn)場直播的新聞發(fā)布會分享這一喜訊。

發(fā)布會的播放量也在60萬以上。

除此之外，隨著韋布發(fā)射計劃被一年年推遲，每當(dāng)有新的技術(shù)和檢測方法出現(xiàn)時，NASA也會對韋布進行相應(yīng)優(yōu)化，從鏡面的直徑到NGST 的結(jié)構(gòu)布局均發(fā)生過不止一次改動，直到2012 年，主鏡和支撐結(jié)構(gòu)制造完成，此時口徑才最終確定為 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，韋布的 18 個主鏡與次鏡（副鏡）、支撐桿被安裝在了背板上。

2016 年，韋布的所有部件開始組裝，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 年末進行發(fā)射。

期間，韋布的預(yù)算也隨之一步步加大，在觀測到黑洞之前，提前成為NASN的“預(yù)算黑洞”，順便坐實“鴿王”的稱號：

韋布的鴿王之路 圖源：《太空探索》雜志2022年1月刊。

北京時間2021年12月25日20時15分，詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。這讓以為它會再次延期的圍觀群眾大失所望，戲稱這次的準(zhǔn)時才是真正意義上的“鴿”。

但發(fā)射成功，不過是邁出了萬里長征第一步。在此之后，除了鏡子和遮光板的展開部署，韋布還需要經(jīng)過三次中途軌道修正：MCC-1a，MC-1b和 MCC-2，才能到達目標(biāo)軌道。

第一次修正發(fā)生在發(fā)射后第12.5個小時，持續(xù)時間65分鐘；

第二次修正發(fā)生在發(fā)射后第60個小時，持續(xù)時間9分27秒，這次修正讓它越過了月球的軌道；

2022年1月25日，經(jīng)過297秒的推進器工作之后，韋布完成了最后一次軌道修正。

現(xiàn)在，韋布已經(jīng)到達距離地球約150萬公里的日地拉格朗日L2點軌道，圍繞L2點旋轉(zhuǎn)，和太陽、地球一起，保持在一條近乎直線的直線上。

韋布L2運行的軌道半徑，比月球環(huán)繞地球運行的軌道半徑還要大。圖源NASA。

接下來的5個月內(nèi)，韋布將進行光學(xué)器件校正和科學(xué)儀器校準(zhǔn)，在第6個月的月末開始真正的科學(xué)觀察，憑借其紅外波段的超強探測能力，深入存在于可見光之外的世界，尋找135億多年前，宇宙形成的第一個星系所發(fā)出的第一束光。

韋布成功升空的第4天，NASA曾發(fā)布一則分析，稱歸功于韋布發(fā)射到太空時所在的Ariane 5火箭的精確性，以及第一次和第二次中途修正機動的精確性，韋布運行任務(wù)的時間可能會大大持續(xù)，達到該任務(wù)的最短預(yù)估時間一倍以上。這個時間是多長呢？10年。

根據(jù)NASA的說法，因為L2是偽穩(wěn)定的，所以每隔20天，飛行運營團隊就要根據(jù)飛行動力學(xué)團隊提供的軌跡計算重新計算一次，然后發(fā)射推進器，將韋布拉回既定軌道。一旦燃料用盡，韋布將很快失去控制，無法繼續(xù)探測任務(wù)。

當(dāng)然，燃料用盡和部件老化，哪個先到來，還待定。

如果韋布運氣好，運行時間可能會超出10年，但也絕不會創(chuàng)造哈勃那樣的奇跡：預(yù)期運行15年，但因為有了航天員的維護，直到31年后的現(xiàn)在，還在為人類持續(xù)探測宇宙。

10年？用掉100億美元，花費30年時間換來的10年？聽起來，簡直有點傻?？墒莾H在未來5年內(nèi)，又將有4架空間望遠(yuǎn)鏡被送入太空，在它們背后，也是數(shù)億元以及數(shù)年的投入：

圖源觀察者網(wǎng) 陳藍專欄。

而人類第一次的太空探索甚至可以追溯到1942年——二戰(zhàn)期間的德國發(fā)射了世界上第一枚彈道導(dǎo)彈V－2火箭，在工程上實現(xiàn)了航天理論先驅(qū)者們的技術(shù)設(shè)想。

80年過去了，為了和宇宙近一些更近一些，人類制造了第一艘載人飛船、第一座空間站，發(fā)射了第一架航天飛機、第一個目標(biāo)在太陽系之外的飛行探測器，實現(xiàn)了第一次太空行走、第一次太空對接，登上了月球，踏上了火星……

為什么遙遠(yuǎn)的星空對我們會有如此大的誘惑力？

當(dāng)人們從現(xiàn)實角度出發(fā)，用了諸多科技上、市場上的理由去解釋，都無法自圓其說之后——畢竟，在距離地球億萬里之遙的太空上，與人類的投入相比，獲得的回報實在是微乎其微——剩下的答案似乎成為唯一的解釋：

人類傾盡所有，只是為了追尋自己的來處。

正如網(wǎng)友們所說：我們身體里的鐵，來自璀璨的超新星爆炸

血液里的鋅，源自兩次中子星對撞后噴射向宇宙的塵埃

那微量的銅，更是需要見證一顆白矮星的死亡

即使是最微不足道的鈷，也源自幾十億光年外的星云

某種意義上，我們都是“星辰之子”。

寫在最后

韋布發(fā)射前9個月，通過歐洲南方天文臺“極大望遠(yuǎn)鏡”(Very Large Telescope)的8個月觀測以及長達1年的數(shù)據(jù)處理，氫氣光亮絲線構(gòu)成的“宇宙網(wǎng)”首次被發(fā)現(xiàn)，它還原了約120億年前的初期宇宙樣貌。

韋布發(fā)射前6個月，暗能量巡天（DESI）發(fā)表了簡報，他們分析了1億個較遠(yuǎn)星系的形狀，通過觀察引力如何擠壓遙遠(yuǎn)星系的圖像，繪制了宇宙較近區(qū)域大量暗物質(zhì)的分布三維地圖，誤差只有3%左右。

韋布發(fā)射3個月前，來自日本、西班牙、美國、阿根廷、澳大利亞、智利、法國和意大利的科學(xué)家組成的國際研究團隊使用世界上最強大的天文超級計算機ATERUI II，開發(fā)了迄今規(guī)模最大、最詳細(xì)的宇宙模擬軟件Uchuu：包含2.1萬億個粒子，跨越96.3億光年的距離，模擬了宇宙從大爆炸到現(xiàn)在整整138億年中物質(zhì)的演化，使科學(xué)家能在迄今無法想象的大小和細(xì)節(jié)層面上研究宇宙的演化。

韋布發(fā)射7天前，中國錦屏地下實驗室（目前世界上最深的地下實驗室，距地面2400米）公布了最新的核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)數(shù)據(jù)，涵蓋恒星中產(chǎn)生26Al的關(guān)鍵反應(yīng) 25Mg(p,γ)26Al，AGB星演化中關(guān)鍵問題19F(p,αγ)16O、核天體物理的“圣杯” 12C(α, γ)16O反應(yīng)，中子源反應(yīng)13C(α,n)16O反應(yīng)等，將人類對宇宙元素起源和恒星演化的認(rèn)知往前推了一步。

……

在空間望遠(yuǎn)鏡追尋宇宙誕生之初的那道光時，其他領(lǐng)域也沒有停止對世界本源的探尋，尋找著“我們是誰，我們來自何方？”的終極答案。我們相信，這個問題得到解答的那一天終會到來。

*參考資料：

https://jwst.nasa.gov/

https://www.bilibili.com/video/BV1eL411W73F?spm_id_from=333.999.0.0

https://twitter.com/NASAWebb

https://www.youtube.com/channel/UCLA_DiR1FfKNvjuUpBHmylQ

https://www.chinanews.com.cn/gj/2021/03-19/9435803.shtml

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/6/362956.shtm

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-09/15/content_521987.htm?div=-1

http://ciae.ac.cn/newsContent.jsp?RID=3394

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原標(biāo)題：《造價100億美元的韋布太空望遠(yuǎn)鏡終于到達目標(biāo)軌道，然后呢？》

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