今晚8點20分，一份絕佳的圣誕禮物正在發(fā)送給全球的航天愛好者們—— 有史以來人類建造的最偉大的太空望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）被折疊阿麗亞娜5號火箭的尖端，從南美洲北部的法屬圭亞那的庫魯航天中心 發(fā)射，正式開啟探索宇宙起源奧秘和系外行星的使命。
作為迄今為止規(guī)模最大、最復雜、最具挑戰(zhàn)性的太空望遠鏡，韋伯望遠鏡可以說是 人類制造史上最復雜的物體之一，而被科學家們給予厚望，被視為 與阿波羅計劃、國際空間站、哈勃望遠鏡同等重要的科研任務。正因為其重要性，它耗資百億美金、“鴿”了十余年之久。
31年前，哈勃太空望遠鏡從美國肯尼迪航天中心發(fā)射，此后不斷將浩瀚的宇宙圖景傳回地球，從根本上改變著我們對宇宙的認知。 而 韋伯太空望遠鏡則被視為哈勃太空望遠鏡的完美“繼任者”。它的主鏡由18塊鍍金的鈹片組成，直徑幾乎是哈勃主鏡的三倍，并能夠用紅外線觀測宇宙，彌補了哈勃的不足。
它可以回溯時間，去觀測宇宙大爆炸后形成的第一個星系，去看圍繞著恒星運轉的行星之上的大氣。它將采用最先進科技來解答人們對宇宙最根本的問題，帶我們去看宇宙的美麗和神秘，了解我們在宇宙中是怎樣的存在。
金光閃閃的韋伯望遠鏡
據NASA稱，韋伯太空望遠鏡將會是“吞噬天文學的望遠鏡”， 或將引導我們進入一個全新的天文學時代，回答我們沒想象過要問的問題。那么，韋伯望遠鏡“鴿”了這么多年有何原因？研制和發(fā)射過程中有多困難？對人類的空間探索歷史有何意義？以下，Enjoy：
韋伯太空望遠鏡的研制和發(fā)射過程可謂命途多舛，也因此在被譽為天文學領域的“鴿王之王”，吊足了每位科研人員與天文愛好者的胃口。
為尋找哈勃太空望遠鏡結束觀測后的“繼任者”， 從1996年開始，NASA就邀請各大公司來參與投標這種復雜的“下一代太空望遠鏡”研制。經過激烈角逐，TRW公司于2002年獲得了NASA授予的8.25億美元的合同，建造韋伯太空望遠鏡，這臺跨時代超級空間觀測設備的研制就此正式啟動。
之所以命名為韋伯太空望遠鏡，是為了紀念NASA第二任局長詹姆斯·埃德溫·韋伯（Edwin Webb），他曾領導美國阿波羅登月計劃取得了卓越的成就。
詹姆斯·埃德溫·韋伯（James Edwin Webb） 圖：維基百科
根據最初設想，韋伯望遠鏡的發(fā)射時間在2007年，但隨即就被推遲了。哈勃望遠鏡計劃于2010年被航天飛機帶回地面，“繼任者”韋伯望遠鏡的發(fā)射時間也被定在2010年左右。但后來由于TRW公司被收購、項目超支、新冠疫情等種種因素， 韋伯望遠鏡的發(fā)射時間也從2007年，到2010年，再到2018、2020年，一拖再拖到今年。
作為美國宇航局、歐洲航天局和加拿大航天局的聯(lián)合項目，韋伯太空望遠鏡在發(fā)射前經歷了一段輾轉多地的超長途旅程——它的組裝于2013年在馬里蘭州開始，2017年又到得克薩斯州繼續(xù)進行低溫測試，2018年起則被運送到NASA的戈達德太空飛行中心。直到今年9月24日，它被運送到港口，經過16天、9300公里的海洋之旅到達法屬圭亞那的發(fā)射中心。
圖：韋伯望遠鏡“開箱”現(xiàn)場
即使在發(fā)射前夕，韋伯太空望遠鏡依舊將“鴿王本色”發(fā)揚到底。11月22日，NASA發(fā)布消息稱，由于在與運載火箭的連接過程中有一條夾帶意外松開，導致整個望遠鏡產生了震動，原定于12月18日的發(fā)射時間被再度推遲到12月22日。
圖：韋伯被立起做發(fā)射前各項測試準備
NASA最后確定韋伯浪漫的發(fā)射時間為 圣誕節(jié)20點20分（北京時間）， 作為一份圣誕禮物送給所有為這個項目付出過的科學家和全球的天文愛好者們。
由于韋伯望遠鏡的項目周期過長，參與人數眾多，美國科學界甚至還流傳著一種說法——“每個科學界的人都應該至少有一位親戚朋友參加過這個項目”。某種程度上，這個項目的重要程度可謂當今“阿波羅計劃”。
對于這項史上難度最大的太空望遠鏡項目而言， “一鴿再鴿”也直接導致了該項目的研發(fā)費用不斷飆升。2011年，該項目甚至還因造價高昂，差點被國會投票取消。到2018年，NASA已在此項目上花費了73億美元，即將達到美國國會的80億美元預算上限，美國國會還因此組建了獨立調查委員會（IRB）以監(jiān)督整個項目的進展。
盡管如此， 至今該項目已耗資超過100億美元，其中NASA承擔了約97億美元的費用。而歐洲航天局為韋伯提供儀器硬件和運載火箭，加拿大為天文臺建造了精密的制導傳感器和攝譜儀。
盡管困難重重，但去遙遠太空發(fā)射望遠鏡的優(yōu)勢卻不可取代。首先，太空望遠鏡 不受大氣窗口的限制，而在地球上，豐富的大氣層會完全阻止伽馬射線、X射線和紫外波段的電磁波通過。其次，太空中 沒有光污染，也 不受天氣變化的影響。另外，太空望遠鏡可以 不受日夜交替的干擾， 有效觀測時間得到大幅提升，有助于天文學家開展更多研究。
與哈勃望遠鏡相比，韋伯望遠鏡具有兩大特點：
其一是 巨大的體積，直徑21.3英尺的主鏡使其成為人類歷史上看得最遠的望遠鏡。
普通人與哈勃、韋伯的主鏡大小對比
其二是 強大的紅外線觀測功能，韋伯望遠鏡將是太空中唯一一臺可以進行遠距離觀測的紅外線望遠鏡，能夠看到更多過去觀測不到之處，成為我們“全新的眼睛”。
圖：強大紅外功能作用下的對比示意圖
韋伯太空望遠鏡的外形與我們想象的望遠鏡完全不同，既不像當年伽利略用過的那款，也不像哈勃望遠鏡。它 有著巨大的六邊形主鏡，由18塊小六邊形組成，用來收集來自遙遠星系的光。
主要的光學結構采用了“ 三反射鏡消像散系統(tǒng)（Three-mirror anastigmat）”，光在到達拍攝的傳感器前會經過三次反射，每次反射都有特定的目的。
第一塊主鏡需要足夠大，像水桶一樣把來自宇宙的盡可能多的光收集起來并匯聚到一塊很小的 二級鏡面上。所有的光會經過 三級鏡面的反射到最后的 微調鏡上。這塊微調鏡會補償航天器移動帶來的誤差，其功能可以理解為相機的穩(wěn)定器。 經過這一系列光學組件后，光就到了最后成像之處了↓
圖源: Smarter Every Day
韋伯望遠鏡的4塊鏡面
其中，由18塊小鏡子組成的主鏡為最難建造的部分，需要在望遠鏡被發(fā)射到太空之后才能調整到正確的位置。 主鏡選用鈹來制造，比鋼強六倍，但只有鋁的三分之一密度，輕且堅硬，在低溫下也不會變形。每塊小六邊形鏡面都 輕到可以用手就提起來。 但鈹又無法很好地反射光線，所以又將鏡子涂上了金。
鏡面的后面是設備組件，里面有相機和光譜儀，研發(fā)團隊為此投入了非常多的心血?？茖W家們使用了兩種重要材料—— 碲鎘汞、摻砷硅，讓檢測器有了更高的靈敏度，可覆蓋頻段從0.6到28微米。而 光譜儀能夠探測到星光中的各種顏色的分量。
整個望遠鏡最吸睛的部分是巨大的“遮陽罩”，它由五層鍍有金屬的塑料膜組成， 面積約為8900平方英尺，相當于三五個網球場的大小。在它的反射下，當太陽光照過來時，只有極少數的熱量會滲透過來， 保障望遠鏡能在持續(xù)低溫的穩(wěn)定狀態(tài)下工作。
望遠鏡必須非常冷，要在-400華氏度（-240攝氏度）下運行，以防止其自身發(fā)出的紅外線對觀測造成影響。在遙遠的太空，要維持望遠鏡的長期工作，液態(tài)冷卻劑、制冷機都不可能實現(xiàn)這一點，只能靠這塊巨大的“遮陽罩”為望遠鏡營造出持續(xù)的夜晚環(huán)境。
這就像給望遠鏡涂了120萬SPF的防曬霜，遮陽板一側是200華氏度，另一側是-400華氏度。在較為穩(wěn)定的低溫環(huán)境下，太空望遠鏡才能正式開始工作。
遮陽罩這一側有元件艙、供電部分、發(fā)動機、燃料罐、無線電收發(fā)裝置和計算機等基礎零部件，以及固定航天器姿態(tài)的動量輪。 控制幾個不同方向的動量輪旋轉的加速減速，就能把來自太陽的角動量傳遞給整個望遠鏡，組合起來最終能夠 精確控制整個航天器的指向。
在軌道的選取上，科學家也充分考慮到了天體的熱量，因此選擇了第二拉格朗日點暈軌道——這是唯一能只用單側遮陽罩就可阻擋來自太陽等天體熱量的軌道。
根據天體力學解釋，任何“雙星系統(tǒng)”都有五個拉格朗日點。除了兩個點之外，另三個的拉格朗日點不很穩(wěn)定，位于其他拉格朗日點上的小天體，稍受擾動就會離開它位置。由于韋伯望遠鏡還會被地球月球反射的熱量所影響，所以第二拉格朗日點（下圖的L2）是最理想的位置。
屆時，韋伯望遠鏡（JWST）將會繞著第二拉格朗日點（L2點）公轉，并依靠太陽能為觀測平臺供電。
為了將韋伯望遠鏡成功發(fā)射到指定位置，幾乎所有的部件都要折疊起來，同時還要能在正確的時間在外太空展開。盡管直到最后一刻都無法保障萬無一失，但科學家們依舊為此做出了一切能夠做的準備。
首先，所有能夠備份的零件都制造了兩份，以便壞了隨時替換。其次，在制造過程中該項目要進行無數次測試，包括破壞性測試和非破壞性測試，例如，所有的零部件都需要經過真空測試。同時，還要應對來自同行的審查小組的檢查。
為了避免阿麗亞娜火箭發(fā)射過程對望遠鏡的損害，還要進行反復的振動測試和噪音測試。
近二十年來，數百億美金、萬名工作人員的努力傾注于這臺偉大的太空望遠鏡。一旦發(fā)射，留給韋伯的機會只有一次。
據工程師介紹，韋伯望遠鏡上有300個獨立故障點，都必須正常無誤地進行工作。在距離地球上百萬英里的外太空，就算出現(xiàn)故障也不可能派人上去維修。
任何去太空的物體，都離不開火箭的運輸。 負責執(zhí)行此次發(fā)射任務的是歐洲航天局的阿麗亞娜5號火箭，這是目前世界上最強大的火箭之一。
裝載韋伯望遠鏡的阿麗亞娜火箭
為滿足直徑只有5.4米的整流罩的大小，巨大的韋伯望遠鏡必須像“折紙”一樣被折疊放入整流罩。
而如何在太空中展開，則是這項任務中更具挑戰(zhàn)的部分。
在火箭發(fā)射的8分鐘轟鳴聲中，韋伯望遠鏡將進入太空，接受著劇烈的震蕩與搖晃考驗。一旦進入太空，便無人可以修理。
進入太空后，韋伯望遠鏡需要用至少兩周的時間來完成全部部署。發(fā)射后的兩周為一個關鍵時間點。完成韋伯太空望遠鏡的部署約有50個步驟，178個釋放機械，它們其中的任意一個都必須要正常工作。
展開韋伯望遠鏡是航天科學家們做過的最復雜的航天器動作。如果成功，韋伯將是推動工程學進入新領域的完美案例。
發(fā)射后不久，韋伯望遠鏡的太陽能電池板將被展開用以供電。約2小時后，韋伯望遠鏡將打開高增益天線用于通訊。約12小時后，有一個重要的引擎點火，將韋伯送上正確軌道，飛向目的軌道。2.7天后，韋伯望遠鏡將放下遮陽板托板，然后升起主鏡和儀器，使其遠離遮陽板。
韋伯望遠鏡的龐大遮陽板組件上有140個釋放機構，約70個鉸鏈組件，8個部署電機，大量的軸承、彈簧和齒輪，約400個滑輪，以及總長1312英尺的90條電纜。
首先，會松開韋伯遮陽板的保護層。然后，釋放核心區(qū)的保護層。最關鍵的是，所有107個遮陽板的釋放裝置都必須按順序開啟，放開五層遮陽板使其沿中軸線展開。
隨著遮陽板的完全展開，韋伯望遠鏡開始設置光學元件。先是把副鏡展開并鎖定到位，然后打開背后一個特殊的防輻射器以進一步降低科學儀器的溫度。最后，打開主鏡側翼并將其鎖定到位。
到這一步，大概已經是韋伯望遠鏡發(fā)射的第29天了，但一切還沒完成。
未來，科學家們還將通過精細的調整布局，形成一個完美的太空望遠鏡，開啟宇宙探索之旅。幸運的話，我們將在六個月后看到由韋伯傳來的第一批圖像。
哈勃太空望遠鏡的成功運行，從很多角度上徹底改變了我們對太空的了解，但已經在太空飛了31年的哈勃望遠鏡亦存在著許多作為光學儀器的局限性，并且其精確度和靈敏度也難以滿足我們對太空的進一步探索要求。
而韋伯太空望遠鏡一旦能夠成功啟用，將會是史無前例的宇宙“時光機”，帶我們看到大約70億-130億年前的宇宙樣貌，幾乎在“宇宙大爆炸”的同期。
該項目的科研負責人約翰·馬瑟（John Mather）曾在采訪中介紹過韋伯望遠鏡的四大主要目標：
首先，它將嘗試觀測“大爆炸”后出現(xiàn)的第一批天體，例如星系、黑洞和超新星；其次，它將觀測星系是如何隨著時間推移而成長的，那可能是經過了許多小型天體的聚攏和融合；第三，它將觀測恒星和行星系統(tǒng)是如何在氣體塵埃云內部形成的；最后，它將觀測其他恒星周圍的行星以及我們身處的太陽系本身，以了解這些天體系統(tǒng)隨著時間推移是如何成長和變化的，并幫助了解地球是如何具備存在生命的條件的。
▌了解早期星系形成的“時光機”
之所以稱太空望遠鏡為“時光機”，是因為當我們觀察到遙遠的星系時，并非是其最近的狀態(tài)。以光年為單位的距離，是從該星系發(fā)出的光到達地球所需要的年數。例如，當一個物體離地球為一萬光年，那么光到達地球就需要一萬年。天文學家凝視的空間越遠，觀察到的時間就越久遠。
目前已知， 離我們最近的星系是大犬座矮星系，距離我們2.5萬光年，這意味著我們看到的大犬星座其實是它在2.5萬年前的樣子。韋伯可以定位人類發(fā)現(xiàn)的看起來最年輕的星系。為了理解星系的形成，科學家們將研究多個處于不同成長階段的星系，并拼湊出它們的進化時間線。
與哈勃相比，韋伯望遠鏡有15倍大的視場，能夠捕獲6倍多的光。由于不斷膨脹的宇宙會把來自遙遠星系的光散發(fā)出去，當光到達我們的望遠鏡時，它的原始波長將從可見或紫外變成紅外，發(fā)生所謂的 “紅移”現(xiàn)象。
紅外線是探索宇宙遠古歷史的強大工具，而 捕捉紅外信號正是韋伯的專長，這將使我們了解宇宙的黑暗時代和早期信息是如何形成的。
在過去太空望遠鏡的基礎上，韋伯將會在 深入太空和 回望太空方面有更多突破，可以觀察到處在成長中的遙遠星系。
自人類1992年首次發(fā)現(xiàn)系外行星以來，科學家們已經發(fā)現(xiàn)了數千星系，但我們對其的了解僅停留在“有存在”的了解階段。地球上的望遠鏡由于受到地球大氣影響，很難收到來自深空的微弱信號。哈勃望遠鏡也很難做到紅外光譜分析。
而韋伯望遠鏡，將 在研究系外星系的大氣層過程 中扮演重要角色 ， 將會是第一個探測最遙遠星系生命的望遠鏡。
在光線充足的情況下，韋伯望遠鏡可以 利用凌日光譜學來測量系外行星的大氣。韋伯能夠觀測到圍繞類太陽恒星運行的小型海王星，以及圍繞紅矮星運行的地球般大小的世界。
若地球外存在生命，將留下獨特的化學痕跡，例如呼吸二氧化碳和光合作用氧氣。通過分析一顆行星大氣中的分子，不僅可以讓科學家尋找其他星球上可能存在的生命，還可以評估一顆行星的宜居性。 韋伯可以用探測紅外波長來識別系外行星大氣中的水和甲烷等。韋伯配備了兩種儀器可以 讓科學家破譯來自太陽系以外的其他星系的紅外傳輸波長。
當望遠鏡觀測某顆恒星時，如果有系外行星“搶鏡頭”，恒星光的某些能量會下降，這與系外行星的大氣化學物質相對應。 如果韋伯望遠鏡碰巧在正確的時間觀察正確的恒星，那么它可以通過分析恒星光中的光點，來分析該恒星的行星大氣化學組成。
最初的恒星應該完全由氫和氦組成。歸功于韋伯在紅外波長下識別昏暗的遙遠物體的能力， 韋伯應該能找到絕對純凈的恒星。
從過去那些令人驚嘆的照片可知，恒星的誕生地滿是塵埃。但當科學家用可見光觀察這些云團時，塵埃卻阻擋著他們深入云層的中心一探究竟。幸運的是，來自恒星的紅外光可能會穿透塵埃，提供一種觀測的可能。
韋伯更寬的紅外范圍將使科學家能夠更深入地觀察塵埃。這次，科學家們或許能夠穿越塵埃，觀測那些年輕的恒星是如何從最密集的塵埃裂縫中升起，甚至從高精度細節(jié)辨認出這些尚在誕生中的新星。我們將能夠觀測到宇宙中形成的一些以前從未見過的最早星系。
這對于我們了解 塵埃是如何形成恒星的、恒星為何會以星團形式等問題，將帶來巨大改變。
根據愛因斯坦的廣義相對論，當一顆垂死恒星崩潰，它將向中心塌縮，那里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質。
包括光在內，沒有任何東西可以逃離黑洞。因此從技術上而言，黑洞并不可見。但有大量的可見物質圍繞著黑洞運動，包括恒星、塵埃和整個星系?？茖W家們只能通過觀察這些來研究黑洞。
過去，科學家們曾使用X射線望遠鏡來研究黑洞的物理特點。這些望遠鏡觀察的是溫度高達數百萬度且足以產生X射線的現(xiàn)象，比如恒星在太靠近黑洞時被猛烈地撕碎等。而 韋伯的紅外儀器將幫助科學家觀察黑洞陰影下發(fā)生的事情，特別是較冷的氣體和圍繞著它們的看不見的恒星。
恒星聚集處是一片塵埃。韋伯強大的紅外功能將允許科學家透過塵埃的面紗得到寶貴的信息。 韋伯將提供有關黑洞恒星斗篷的溫度、速度和化學成分的關鍵信息?？茖W家可以利用這些信息來更多地了解 黑洞的質量和大小，以及黑洞是如何以恒星為食的。
對“黑暗時代”的研究，向來是當今科學前沿課題之一。根據宇宙大爆炸理論，我們的宇宙是137.5億年前由一個小點的爆炸形成然后膨脹。大爆炸約38萬年后，能量才逐漸形成了物質，這時由于沒有新的光源產生，宇宙是黑暗的。直到10億年后，星系越來越多，宇宙才亮了起來。因此，這10億年被稱為宇宙“黑暗時代”。
了解這一時代的關鍵是它們留下的遺跡，比如宇宙微波背景輻射。1964年，人類首次探測到這種宇宙微波背景輻射。如今我們使用復雜的工具，比如歐洲航天局的普朗克探測器，可以來探測微小的波動，從而創(chuàng)造一個年輕宇宙中物質和能量分布的快照視圖。
斯皮策望遠鏡和哈勃望遠鏡曾一起拍攝了一個名為GN-z11的星系的圖像，它保持了迄今為止測量到的最遠星系的記錄。它是宇宙只有4億年歷史時的遺跡，當時宇宙的年齡只有現(xiàn)在的3%，大小不到現(xiàn)在的10%。
而韋伯望遠鏡在尺寸、靈敏度、波長范圍等方面都有了顯著提升，我們有理由相信，未來韋伯會給科學家們帶來更多的驚喜， 用最先進科技來解答人們對宇宙最根本的問題，了解遙遠的宇宙往事，如：第一批星系是如何進化的，我們太陽系是獨一無二的嗎. .....這 或許將完全顛覆我們現(xiàn)有的宇宙理論。
從上世紀八九十年代 一個超前的革命性想法，到如今落成現(xiàn)實、飛上太空，韋伯項目見證了人類科研的力量。 即使過程困難重重，被質疑、被嘲笑，但只有行動起來，才能化幻想為奇跡。
韋伯太空望遠鏡作為人類迄今為止制造的最復雜的物體之一，年復一年，無數人將他們寶貴的時間與金錢都傾盡于此。 它會證明：如果你足夠專心、足夠堅持，最終會取得驚人成就。這不僅適用于太空望遠鏡，對我們大多數人也是受用一生的經驗。
對于它的發(fā)射，韋伯項目的首席科學家約翰·馬瑟（John Mather）釋懷地說，
“我不會為我不該操心的事情感到焦慮，我們都明白自己在做著正確的事，大家都努力向著完美而努力了，所以能夠接受任何結果?！?/strong>
約翰·馬瑟（John Mather）
把望遠鏡放心地交給火箭、交給宇宙，剩下能做的只是關注和等待。 愿六個月后我們能夠收到韋伯 望遠鏡寄來的“明信片”，帶我們去挑戰(zhàn)理論、去領略那個未曾想象的宇宙未知之境。
韋伯主鏡進行低溫測試
References:
1). NASA官網
2). 中國國家航天局官網
3). 《詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的前世今生，以及它又延期了》BY NASA航天愛好者（ID：NASAtoMars）
4). 《史上最強望遠鏡韋伯，將回顧宇宙不為人知的“黑暗時期”》BY NASA航天愛好者（ID：NASAtoMars）
5). 《詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將如何讓我們看到更多未知的宇宙？》BY 新浪探索（ID：sinascience）
6). 《等了25年，“鴿王”韋伯太空望遠鏡計劃年底上天》BY 知道News（ID：xjb-jingshier）
7).《人類建造的有史以來最偉大的空間望遠鏡，即將發(fā)射》BY 熊二筆記（ID：xiong-talks）
8).《價值100億美元的折紙： 韋伯望遠鏡將如何發(fā)射，入軌和展開?》，up主/傳播新知，B站
9).《項目首席科學家?guī)懔私忭f伯望遠鏡》，up主/給蟲Official，B站
10).《詹姆斯韋伯望遠鏡即將發(fā)射：前 30 天將是純粹的恐怖》，up主/垚忘，B站
11).《突破：建造韋伯望遠鏡（2021）》，漢化/水山水山水山，微博
頭圖與內文圖片來自NASA及Youtube
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