詹姆斯·韦伯太空望远镜

要为真理而斗争，欢迎回到2049。

各位老板，欢迎来到2022年。2021年已经胜利结束，不论是大媒体还是小媒体，不论是官方媒体还是自媒体，最近几年到了年底的时候，都特别喜欢评选一些关键词，但在今天这个互联网时代，热度来得快、去得更快，试想一下，如果是在50年后，你还会记住什么社交牛B症、芭比Q了、中国人不骗中国人吗？我觉得够呛。那么2021这一年，如果说它有这个能力的话，究竟会留给后世一个怎样的符号化的记忆呢？或许是更为生猛的德尔塔变异毒株、或许是有可能改变人类能源结构的碳中和、也或许是一个全新纪元的开始——元宇宙元年。所有这些都有可能对未来产生深远影响，但我今天想给出一个不一样的答案，其实这一事件并不轰动，至少是在国内，鲜有问津，也可以确定，它不会推动现实社会产生剧变，但与以上三大事件的不确定性所不同的是，放眼未来，它有更大的概率改变全人类对宇宙的认知，让我们重新审视宇宙的诞生与发展，推动人类认识的进一步发展，这就是詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射升空。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

说起天文望远镜，名气最大的当属哈勃望远镜，到今天已经服役超过30年，其实早在1990年哈勃望远镜发射之前，NASA的科学家和工程师，就已经在思考用什么设备来作为它的接班人，因为哈勃并不是万能的。从承担的任务上看，哈勃观测的区域，主要是紫外线和可见光，同时也有一定的能力观测波长较短的近红外波长。根据目前的宇宙演化理论，大爆炸之后，宇宙的温度非常高，密度也非常大，在这种环境下，原子无法形成，光子也只能传递一小段距离，然后就会与其他光子或基本粒子相撞，形成新的物质粒子与其他的反粒子。不过随着宇宙的膨胀，温度开始不断下降，密度也开始不断降低，于是重子开始结合，形成氢原子、氦原子，以及极为少量的氘原子和锂原子，与此同时，在这一时期，光子不再剧烈碰撞，而是可以进行远距离传播，这使得整个宇宙，几乎处处都在发光。

但是当所有的原子都结合完毕之后，整个宇宙突然就懵了，不知道自己该干啥了，因为原子整体是不带电的，一个个在原子在宇宙中孤立地飘荡，它们不发光，不吸收也不发射谱线，反正就是什么也不干，于是整个宇宙归于沉寂，进入到一个全新的时代——宇宙黑暗时代。这一时代大概持续了5亿年之久，不过虽然此时的宇宙不再产生电磁辐射，但实际上却是暗流汹涌，黑暗的气体团在黑暗中积蓄着能量，它们在引力的作用下不断收缩，从而形成了最初的原恒星，而随着第一批恒星的诞生，宇宙被重新点亮，黑暗时代结束，宇宙逐渐透明，这就是宇宙的黎明时代。那么在这之后又发生了什么呢？第一代恒星看起来是什么样子？与我们所熟知的当代恒星相比，它们的形成机制有什么不同？进一步的，星系是如何聚集和演化的？大多数星系中心的超大质量黑洞，又是在何时以怎样的方式形成的？恒星、黑洞和星系，到底是谁最先出现？抑或者是别的未知的东西？

所有这些问题，目前都没有明确答案，只有理论上的推演，却不具备观测数据的支持。而哈勃虽然非常强大，但囿于它有限的红外探测能力，所以无法探索这些第一代发光天体。原因就在于，宇宙自诞生以来，就一直在膨胀，宇宙中的一切都在远离彼此，而天体离我们越远，它后退的速度就越快。另一方面，光传播的速度是有限的，所以当光子朝向我们运动的时候，这种膨胀就会拉伸光的波长。也就是说，如果一个天体离我们越远，它看起来就要越红。大爆炸后形成的第一批发光天体，不论它们是什么，都是非常遥远，以至于它们在130亿年前发出的紫外线和可见光，今天到达我们这里时，都会红移到红外波段的范围之内。但是哈勃只能观测到波长较短的近红外波长，所以要想观测到宇宙黑暗时期的结束，了解第一批恒星的诞生，我们就需要一架对红外波段非常敏感的望远镜，于是韦伯望远镜便诞生了。韦伯观测的波段主要集中在波长为0.6微米-28.3微米的红外线频段，覆盖了从近红外波段到中红外波段的广大领域，所以相比于哈勃，它将看到更暗也更古老的天体，它将把自己的目光，投向第一批恒星开始闪耀的时刻，它将追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹，那里既埋藏着宇宙遥远的历史，或许也将昭示着宇宙的未来。

韦伯与哈勃观测区域的差异

首先看一下命名，詹姆斯·韦伯何许人也？他并不是什么推动人类文明进程的大科学家，而是NASA的第二任局长，属于资产阶级中的官僚阶级，反动派中的反动派，在任时间是1961年-1968年，在任内，他领导了NASA最为辉煌的时代，推动了水星计划、双子星计划、阿波罗计划、先锋计划、水手/旅行者计划等一系列大型项目的开展，也为美国在航空航天领域的人才技术优势，打下了坚实基础。所以从韦伯望远镜的命名上，我们就可以得知，美国这是在幻想重塑自己在航天领域曾经的辉煌。1996年，詹姆斯·韦伯望远镜被正式立项，原定发射时间是2007年，结果这一拖就是14年，人称航天界的“鸽王”。而随着时间的流逝，韦伯望远镜的预算，也从最初的5亿美元，一路飙升至100亿元，相当于49个薇娅、72个范冰冰、213个郑爽。考虑到它的质量仅有6.5吨，所以计算一下就会发现，韦伯望远镜每克的单价，超过了人民币10000元，是今天黄金单价的20多倍。20个国家持续25年的投入，加之数万名科学家和工程师的共同努力，终于打造出了人类历史上制造单价最为昂贵的航天器。

詹姆斯·韦伯

为什么会这么贵？是因为分包的层次太多，每一层都要吃拿卡要么？答案当然是否定的，事实上这100亿美元，可以说每一美元都花在了刀刃上。首先就是韦伯要被送入太空，而且非常远。原因是，地球大气中存在着水蒸气，水蒸气会对红外线产生散射、衍射等一系列严重干扰。另一方面，韦伯望远镜在工作时，必须保持冷却状态，温度要低于-213℃，否则它自身的热辐射，也会对观测造成巨大影响，所以送入太空是唯一的选择。但是这还不够，地球本身就有着室温辐射，也在源源不断地向外反射着太阳光，另外，地球附近不可避免地存在着一些逃逸的空气分子和星际尘埃，这些都会对韦伯造成一定影响。怎么办？只能远远地逃离地球。但是逃离地球，也就意味着韦伯，将进入一个更为错综复杂的引力世界，在这里，它将受到地球、太阳、月亮，乃至宇宙万物的引力影响，这将使得韦伯的轨道很难稳定下来，轨道飘忽不定，还谈什么观测？对于这一问题，最直接的解决办法，就是让韦伯携带发动机，通过发动机的工作来维持轨道的稳定。但是韦伯的质量和体积实在太大了，通过发动机来维持轨道，就导致在发射的时候，必须携带大量推进剂，而且频繁的启动发动机，也会极大影响观测质量。所以靠人不如靠天，我们最好在宇宙中找到一个天然的引力平衡点，最终权衡利弊之后，科学家选择了日-地引力平衡的拉格朗日2点。

18世纪，意大利数学家拉格朗日通过计算发现，地球周围存在着5个特殊的位置，在这5个点上，如果安放一个质量不大的小物体，那么它就会与地球和太阳之间，保持相对位置的不变，这5个点就被称作拉格朗日点。比如说在日-地拉格朗日1点上，就停泊了很多个探测器，像是1995年发射的太阳和太阳圈探测器、1997年发射的要素/同位素成分高级探测器，还有2015年发射的深空气候观测卫星。而韦伯之所以选择日-地拉格朗日2点，一是因为距离地球足够远，达到了150万公里，二是因为，此处也巧妙地位于地球的背阴面，可以很好地隔绝太阳辐射对望远镜的干扰。

拉格朗日点

深空气候观测卫星

但与此同时，这也给韦伯带来了一个巨大挑战，150万公里，相当于地月距离的4倍，是哈勃飞行高度的将近3000倍，如此遥远的距离就意味着，韦伯一旦出现任何问题，人类是不可能前去修复的。这就和哈勃望远镜形成了鲜明的对比，当年哈勃升空之后，出现了一系列大大小小的问题，于是从1993年到2009年，美国通过5次极其昂贵的航天飞机任务，对哈勃进行不断的维护和提升，这才使得哈勃取得了举世瞩目的成就，否则早就沦为太空垃圾。但今天，航天飞机早已退役，人类也失去了在太空中维修大型航天器的能力。而且即使航天飞机重新服役，也不可能前往遥远的日-地拉格朗日2点。所以韦伯的发射就是一次一锤子买卖，不能有任何失误，必须一次成功、一步到位，某种程度上说，这也是韦伯发射一推再推的重要原因，一旦发射，完全就靠自我奋斗。

维修哈勃

韦伯造价高的第二个原因是超大口径的镜片，韦伯的首要任务是看到遥远的星光，追溯宇宙的黑暗时代，但只是看到还远远不够，科学家的期望是，让韦伯在波长更长的红外波段，达到与哈勃在可见光波段相当的分辨率。怎么提高分辨率？办法很简单，这就是变大。因为不论是光学望远镜还是红外望远镜，它们的观测能力与口径是成正比的，于是相比此前最大的哈勃望远镜，韦伯的镜片口径从2.4米提升到了6.5米，集光面积也随之从4.5平方米攀升到了25.4平方米。但要注意的是，口径增加所带来的制造难度和造价的提升，并不是一种线性增长关系，仅是这一点，就导致韦伯的预算，注定要远超哈勃。而随着镜片的变大，韦伯也不仅可以追溯古老的星光，还可以对距离较近的目标，进行更为细致的观测，像是新生的恒星，以及包裹在尘埃气体云中的系外行星，所以韦伯的观测，也会帮助人类了解恒星和行星系统的形成，并探索其他的行星系统的性质，同时探索生命的可能性。

韦伯望远镜主镜

但是镜片太大，就产生了两个问题。一是几乎不可能整体制造，你想一下，20多平方米的一面大镜子，这不是你的化妆镜，它容不得一丝瑕疵，所以整体制造不仅材料成本极高，而且失败风险极大。第二个问题是，就算可以整体制造，也没有合适的航天器将其送入太空，因为在今天的商业标准下，火箭整流罩的直径只有5米，实在是塞不进去。再退一步说，就算整流罩足够大，但如果像哈勃一样，采用一体式单片镜面，也需要一个巨大到不切实际的支撑结构，即使火箭可以装得下镜面，也肯定装不下这样的支撑结构。怎么办？一种办法就是像国际空间站一样，分步骤发射，到达太空之后再行组装。但望远镜不是空间站，它对精密度有着更高的要求，只要有一步出现微小的失误，100亿美元就彻底打了水漂。最终经过论证，NASA的工程师团队开发了可折叠的光学器件和结构，所以我们看到的韦伯望远镜主镜，一共由18面六角形镜拼合而成，每一个子镜面宽1.3米，重约40公斤，它们合在一起，共同组成了韦伯望远镜巨大的蜂巢状的镜面。

不过即便采用这种组合的方式，韦伯望远镜依然对制造工艺，有着极高甚至是变态的要求。因为韦伯在制造、发射和工作时，要面对截然不同的温度环境。特别是它的核心器件，工作温度已经非常接近绝对零度，这就对镜面材料提出了极高的要求，它必须同时具备刚度强、热稳定性好、热导率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等众多特点。而在精度要求上，最后镜片成型的制造加工精度，要达到10纳米级别，相当于一张纸厚度的万分之一。而且在进入太空之后，镜片姿态的控制精度，也要达到同等水平，这简直就是鬼斧神工级别的制造工艺。最后综合各种要求，NASA的工程师选择了碱土金属铍。铍这种物质又轻又硬，而且在-173℃以下，几乎不会产生任何形变。不过在普通环境下，铍是变幻莫测的，于是工程师们发明了一种新型的铍微球粉末，然后通过高压和加热，将其熔合成镜面坯料，毛坯被加工、研磨和抛光之后，还要在每一面镜子上涂上一层黄金，使其在反射红外波长方面更加出色。可以这么说，韦伯镜片的加工制造，至少在目前，堪称人类历史上工艺水平的巅峰制作。

韦伯造价高的第三个原因，就是它特殊的外形，从图片上看，韦伯好似一艘太空战舰，而搞出这种造型的最大功臣，就是一把屏蔽热量的“太阳伞”。当然韦伯处于远离地球，且不被太阳直接照射的拉格朗日2点。但即便如此，它也不能彻底摆脱地球和太阳的影响，事实上在拉格朗日2点，太空中的温度变化也是非常大，在韦伯面向太阳和地球的一侧，温度可以高达85℃，而在背向的一侧，温度则会下降到-233℃，这种环境，你让它怎么工作？所以它必须要有能力遮蔽住来自地球和太阳的热辐射，于是它就背上了一个大大的太阳伞，同时采用主动冷却系统，来维持核心部件的工作温度。这面太阳伞可不简单，首先就是非常大，长有21米，宽有14米，面积达到了300平方米，堪比一片网球场，按照设计要求，这把伞将提供300℃以上的温度屏蔽效果。而为了达到这一目的，同时尽可能地减轻重量，这面伞的材料采用了硅膜、铝膜和聚酰亚胺，一共有5层，每一层都非常薄，第一层的厚度只有50微米，比头发的直径还要小，而中间层的厚度，更是只有25微米。毫无疑问，这样一把伞，也对制造工艺，有着极高要求。

韦伯的遮阳板

这还不算什么，更大的难点是，如何让它在太空中顺利展开，你可以想一下，300平米的一张大布，哪怕是在地球上，展开都不会容易，而在发射时，它会被塞在火箭里经历剧烈振动，在展开的过程中，则会涉及到140多个展开机械装置、70个合页装置、400个滑轮，还有总长度达到400米的90根电线，此外还会用到8个马达，以及其他各式各样的零件。所有的零件在展开的过程中，都不能有任何差错，它们必须按照正确的顺序，在正确的时间，以完美的精度，完成自己的工作。这样的难度可想而知，这无疑是人类历史上最为强悍的一个遮阳板。

在太空中的韦伯

总之整体上看，韦伯望远镜集中了人类各种最为先进的科技，各种研发都是孤品，既没有备份，更不会量产，再加上遥远的距离，必须保证100%的成功率。为了达到万无一失、一次成功，韦伯就必须经过一系列成本极高的测试，这些因素最终累积在一起，就让它的预算不断攀升，也导致发射时间一拖再拖。表面上看确实磨磨唧唧，有人也借此唱衰NASA，认为NASA已经无力进行大型航天项目，但在其背后，其实是必须一次成功的勇气和魄力！是人类上下求索的决心和对梦想的坚守。韦伯望远镜，在前方，它凝望着遥远而璀璨的星空，在身后，它背负着古老而执着的梦想。这样一个航天器的发射，不能说后无来者，但绝对是前无古人。如此看来，100亿美元还算多吗？

2021年10月，组装完成的詹姆斯·韦伯太空望远镜，被运抵位于赤道的法属圭亚那太空中心。法国当地时间12月25日13时15分，韦伯望远镜搭乘欧空局阿丽亚娜5-ECA火箭成功升空，在高速飞行过程中，它将完成展开太阳能板、打开天线、遮阳板和主镜片等一系列事关生死的关键操作。如果一切顺利，29天之后，韦伯将抵达拉格朗日2点，并进入为期6个月的试运行期。在此之后，韦伯望远镜将正式开启自己的伟大历程。按照设计方案，韦伯的任务寿命至少为5年，但也可能会持续10年以上，这取决于在工作过程中，它将使用多少燃料来实现和维持自己的轨道，以及望远镜的组件在太空中的退化速度。

韦伯踏上征程

圭亚那太空中心

韦伯发射升空

那么在未来的几年间，韦伯望远镜将会给人类带来什么？可以预知的是，它将探索到宇宙黎明时代的开启，窥见第一批恒星的诞生，洞察第一代星系的聚集和演化，也将发现更多匪夷所思的地外行星。而无法预知的是，它或许将展现给人类一个颠覆既有认知的、超乎想象的宇宙。韦伯望远镜，它承载着人类的探索精神，推动我们的梦想向宇宙深处继续延伸。就让我们祝福韦伯望远镜，在远航之路上一切顺利，让我们等待它带来新的发现与启迪，期盼它创造出新的伟大发现！也希望人类探索宇宙与真理的梦想，永不止步，无远弗届！