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(diǎn)終于到達(dá)終點(diǎn)：距離地球150萬(wàn)千米的日地拉格朗日L2點(diǎn)。但還要再經(jīng)過(guò)5個(gè)月的部署和調(diào)測(cè)，它才能開始第一張照片的拍攝。

100億美元的造價(jià)，30多年時(shí)間的投入，一次次的延期以及預(yù)算擴(kuò)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(jiǎn)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(jiǎn)稱“哈勃”）比肩。

韋布的目標(biāo)之一是觀測(cè)星系的形成。圖源NASA

人們對(duì)韋布寄以厚望，希望通過(guò)它觀測(cè)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(jià)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(lái)最重要的天文觀測(cè)設(shè)備”，給天文學(xué)幾乎所有領(lǐng)域都帶來(lái)了突破性發(fā)現(xiàn)。

目前哈勃已運(yùn)行31年，在這段被數(shù)次維修延長(zhǎng)的服役生涯中，它對(duì)三十多個(gè)星系進(jìn)行距離測(cè)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(guò)哈勃常數(shù)來(lái)確定的）大約為73，隨機(jī)誤差僅為6%，系統(tǒng)誤差為8%，并參與了對(duì)宇宙加速膨脹推測(cè)的證實(shí)。

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

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

而在一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)15年的觀測(cè)項(xiàng)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(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)速率突然增大的現(xiàn)象，這間接證實(shí)了黑洞的普遍性，推翻了黑洞屬于某個(gè)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(guó)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(duì)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(hào)航天飛機(jī)發(fā)射進(jìn)入軌道。然而幾周后，哈勃傳回來(lái)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(gè)膠面上，而是散成了一個(gè)個(gè)模糊的光暈——哈勃“近視”了？！

原來(lái)，哈勃的主鏡片在制作時(shí)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(gè)微小的錯(cuò)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(tái)紛紛譴責(zé)NASA，稱NASA花費(fèi)重金制造了一個(gè)“哈勃麻煩”（Hubble Trouble），發(fā)射了一個(gè)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(dòng)奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)，運(yùn)送了7位宇航員來(lái)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€(gè)專屬的矯正鏡片，它能與哈勃的鏡片產(chǎn)生相反的作用來(lái)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(jì)劃正式提議的時(shí)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(lái)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(guó)會(huì)給韋布報(bào)了價(jià)——5.64億美金，預(yù)計(jì)2007年發(fā)送。

這個(gè)報(bào)價(jià)顯然不太誠(chéng)懇。要知道，他們?cè)?975年首次給哈勃報(bào)預(yù)算時(shí)，給出的數(shù)字就已經(jīng)在4億美元以上了，最后的真實(shí)造價(jià)更是達(dá)到了12億美元。美媒在報(bào)道中直言：這是個(gè)旨在讓國(guó)會(huì)參與進(jìn)來(lái)的報(bào)價(jià)。

后來(lái)的發(fā)展證實(shí)了媒體們的猜測(cè)。

100億美元，值嗎？

從正式立項(xiàng)開始，韋布的投入就一漲再漲，比最初報(bào)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(guó)國(guó)會(huì)頗有微詞。

2011年，美國(guó)眾議院甚至在投票之后決定削減19億經(jīng)費(fèi)，讓NASA停掉這個(gè)項(xiàng)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(gè)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(wàn)無(wú)一失。

畢竟，比起哈勃，韋布更是無(wú)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(shí)間送個(gè)宇航員去修，而部署在150萬(wàn)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(cè)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(guò)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線繞過(guò)塵埃，“以更近距離看到萬(wàn)物起源”，另一方面也將韋布的技術(shù)難度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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

在物理學(xué)中，凡是高于絕對(duì)零度（即-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。為了過(guò)濾掉太陽(yáng)這個(gè)特大紅外干擾源，以及來(lái)自月球和望遠(yuǎn)鏡本身的干擾，韋布需要一個(gè)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(wàn)KM的拉格朗日L2，也是出于過(guò)濾絕大部分紅外干擾的原因。在L2，它可以和地球、太陽(yáng)保持三點(diǎn)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(zhǎng)徑21m，短徑14m，面積相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)。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(dá)85℃的時(shí)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(shí)，為了觀測(cè)到2微米的紅外波段，韋布也被造得特別大，是有史以來(lái)送入太空最大的天文空間望遠(yuǎn)鏡。主鏡的直徑被擴(kuò)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(cè)極限還要暗幾十倍的天體，在80km外看到一個(gè)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(qiáng)。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(duì)比。圖源NASA

而除了觀測(cè)本身對(duì)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(jìn)火箭里，只能層層折疊后塞進(jìn)火箭，到了太空中再展開。

其中，遮光罩極其纖薄，5層加起來(lái)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(chǎng)尺寸的遮光罩無(wú)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(yáng)罩一張張繃緊。期間需要大約7000個(gè)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(duì)焦，每塊小鏡有一個(gè)單獨(dú)的微調(diào)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)精度需要達(dá)到5納米。

18個(gè)鏡面，每個(gè)都有單獨(dú)的控制系統(tǒng)。圖源NASA

展開部署過(guò)程中，任何活動(dòng)都有可能發(fā)生導(dǎo)致整臺(tái)望遠(yuǎn)鏡報(bào)銷的“單點(diǎn)故障”。這種“單點(diǎn)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(dá)百萬(wàn)。

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

發(fā)布會(huì)的播放量也在60萬(wàn)以上。

除此之外，隨著韋布發(fā)射計(jì)劃被一年年推遲，每當(dāng)有新的技術(shù)和檢測(cè)方法出現(xiàn)時(shí)，NASA也會(huì)對(duì)韋布進(jìn)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(guò)不止一次改動(dòng)，直到2012 年，主鏡和支撐結(jié)構(gòu)制造完成，此時(shí)口徑才最終確定為 6.5 米。

2014 年開始制造遮光罩，燃料倉(cāng)、陀螺儀、太陽(yáng)能電池板等。一年后，韋布的 18 個(gè)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(guò)了測(cè)試，并準(zhǔn)備在 2021 年末進(jìn)行發(fā)射。

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

韋布的鴿王之路 圖源：《太空探索》雜志2022年1月刊

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

但發(fā)射成功，不過(guò)是邁出了萬(wàn)里長(zhǎng)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(guò)三次中途軌道修正：MCC-1a，MC-1b和 MCC-2，才能到達(dá)目標(biāo)軌道。

第一次修正發(fā)生在發(fā)射后第12.5個(gè)小時(shí)，持續(xù)時(shí)間65分鐘；

第二次修正發(fā)生在發(fā)射后第60個(gè)小時(shí)，持續(xù)時(shí)間9分27秒，這次修正讓它越過(guò)了月球的軌道；

2022年1月25日，經(jīng)過(guò)297秒的推進(jìn)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(dá)距離地球約150萬(wàn)公里的日地拉格朗日L2點(diǎn)軌道，圍繞L2點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，和太陽(yáng)、地球一起，保持在一條近乎直線的直線上。

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

接下來(lái)的5個(gè)月內(nèi)，韋布將進(jìn)行光學(xué)器件校正和科學(xué)儀器校準(zhǔn)，在第6個(gè)月的月末開始真正的科學(xué)觀察，憑借其紅外波段的超強(qiáng)探測(cè)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(gè)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(shí)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(jī)動(dòng)的精確性，韋布運(yùn)行任務(wù)的時(shí)間可能會(huì)大大持續(xù)，達(dá)到該任務(wù)的最短預(yù)估時(shí)間一倍以上。這個(gè)時(shí)間是多長(zhǎng)呢？10年。

根據(jù)NASA的說(shuō)法，因?yàn)長(zhǎng)2是偽穩(wěn)定的，所以每隔20天，飛行運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)就要根據(jù)飛行動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)提供的軌跡計(jì)算重新計(jì)算一次，然后發(fā)射推進(jìn)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(wú)法繼續(xù)探測(cè)任務(wù)。

當(dāng)然，燃料用盡和部件老化，哪個(gè)先到來(lái)，還待定。

如果韋布運(yùn)氣好，運(yùn)行時(shí)間可能會(huì)超出10年，但也絕不會(huì)創(chuàng)造哈勃那樣的奇跡：預(yù)期運(yùn)行15年，但因?yàn)橛辛撕教靻T的維護(hù)，直到31年后的現(xiàn)在，還在為人類持續(xù)探測(cè)宇宙。

10年？用掉100億美元，花費(fèi)30年時(shí)間換來(lái)的10年？聽起來(lái)，簡(jiǎn)直有點(diǎn)傻?？墒莾H在未來(lái)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(lán)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(guó)發(fā)射了世界上第一枚彈道導(dǎo)彈V－2火箭，在工程上實(shí)現(xiàn)了航天理論先驅(qū)者們的技術(shù)設(shè)想。

80年過(guò)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(jī)、第一個(gè)目標(biāo)在太陽(yáng)系之外的飛行探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了第一次太空行走、第一次太空對(duì)接，登上了月球，踏上了火星……

為什么遙遠(yuǎn)的星空對(duì)我們會(huì)有如此大的誘惑力？

當(dāng)人們從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)，用了諸多科技上、市場(chǎng)上的理由去解釋，都無(wú)法自圓其說(shuō)之后——畢竟，在距離地球億萬(wàn)里之遙的太空上，與人類的投入相比，獲得的回報(bào)實(shí)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(lái)處。

正如網(wǎng)友們所說(shuō)：

我們身體里的鐵，來(lái)自璀璨的超新星爆炸血液里的鋅，源自兩次中子星對(duì)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(gè)月，通過(guò)歐洲南方天文臺(tái)“極大望遠(yuǎn)鏡”(Very Large Telescope)的8個(gè)月觀測(cè)以及長(zhǎng)達(dá)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(gè)月，暗能量巡天（DESI）發(fā)表了簡(jiǎn)報(bào)，他們分析了1億個(gè)較遠(yuǎn)星系的形狀，通過(guò)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(gè)月前，來(lái)自日本、西班牙、美國(guó)、阿根廷、澳大利亞、智利、法國(guó)和意大利的科學(xué)家組成的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)使用世界上最強(qiáng)大的天文超級(jí)計(jì)算機(jī)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(wàn)億個(gè)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(wú)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(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（目前世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)，其他領(lǐng)域也沒有停止對(duì)世界本源的探尋，尋找著“我們是誰(shuí)，我們來(lái)自何方？”的終極答案。我們相信，這個(gè)問題得到解答的那一天終會(huì)到來(lái)。

*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

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“品玩”（ID：pinwancool），作者：白寧，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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