“鴿王”傳說：詹姆斯·韋布空間望遠鏡

唐鴻洋

它是迄今人類所建造的最昂貴、最復雜的天文儀器。耗資近百億美元的它，可以看到宇宙中的第一縷光，并為人類揭示恒星演化的秘密。

它也是名副其實的“鴿王”，發射日期最初預計是2007—2011年，因經費和技術問題推遲到2014年，再推遲到2018年、2019年，直至2021年末。多年來“江湖”上一直流傳著它的傳說。

它便是詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST，以下簡稱韋布望遠鏡）。韋布望遠鏡是美國國家航空航天局（NASA）與歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）的國際合作項目，由300多所大學、研究機構以及相關公司的數千名工程師和數百名科學家共同完成。

韋布望遠鏡的基本信息

總有效載荷質量：約6200千克，包括科學儀器、在軌消耗品等

主鏡口徑：約6.5米

主鏡通光口徑面積：25平方米

主鏡材質：由18個子鏡拼接構成，均為鈹鏡

主鏡總質量：705千克（單個鈹子鏡質量為20.1千克，含支撐結構等為39.84千克）

焦距：131.4米

工作波段：0.6～28.5微米

遮陽罩尺寸：21.197米×14.162米

運行軌道：距地球150萬千米的拉格朗日L2點

工作溫度：小于50K（約-223℃）

工作時間：預計5～10年

它的歷史，從32年前說起……

從提出構想到真正發射升空，韋布望遠鏡走過了幾十年的歷程，經費也從數億美元膨脹到近百億美元。

1989年，美國空間望遠鏡研究所（STScL）舉行了一場研討會，主題是討論當時尚未升空的哈勃空間望遠鏡（HST）的繼任者。與會者認為，HST的繼任者—“下一代空間望遠鏡（NGST）”應可以觀察中紅外光譜區域。此時，NGST還不叫韋布望遠鏡。

1990年，來自美國國家科學院、工程院和醫學院的“十年調查”報告提出，NGST應該是口徑為6米級的制冷型紅外空間望遠鏡，而之前STScL研討會認為它的口徑應為10米級。1995年，因預算問題，NGST主鏡的尺寸被定為4米。1996年，NGST的口徑又被增加到8米（HST的口徑是2.4米）。為了將其塞進運載火箭中，NASA提出采用可分段折疊的主鏡結構，并宣布NGST將于2007—2011年發射，項目經費從10億美元上漲至35億美元。

2002年，NASA根據調研情況，選擇與美國TRW公司合作。同年8月14日，NGST被命名為“詹姆斯·韋布空間望遠鏡”，以紀念NASA第二任局長和阿波羅計劃的主要發起者—詹姆斯·韋布。

十幾年中，韋布望遠鏡不僅名字變了，“模樣”也變了很多次，直到21世紀以后，韋布望遠鏡才變得與現在的“模樣” 相近。

2004年，科研人員開始制造韋布望遠鏡的一些零件。此時，韋布望遠鏡的經費已經達到65億美元，占據了NASA的全部預算，導致NASA很多其他項目被取消或推遲。例如2003年提出的WFIRST望遠鏡項目，該望遠鏡的目的是用來尋找更適合人類居住的行星。

2010年，韋布望遠鏡的關鍵任務通過審查，這意味著它將有能力完成預期設定的所有科學任務。但好事多磨，2011年韋布望遠鏡項目險些被腰斬。由于耗資巨大，美國國會打算取消該項目，但科學界的大力支持讓美國國會做出妥協，并為韋布望遠鏡設定了80億美元的經費紅線，同時將發射推遲至2018年。后來又推遲至2019年、2021年，經費也早已越過80億美元的紅線。

2012年，主鏡和支撐結構制造完成，此時主鏡口徑最終確定為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，韋布望遠鏡的18個子鏡連同支撐桿被安裝在背板上。

2016年，韋布望遠鏡的所有部件開始組裝。

韋布望遠鏡的發射

韋布望遠鏡發射后需要約27天的時間到達日—地拉格朗日L2點。

第一個小時：從法屬圭亞那航天發射場起飛，由阿麗亞娜5號運載火箭推進26分鐘。當二級發動機關閉后，韋布望遠鏡將與阿麗亞娜5號分離，并且在幾分鐘內轉變為利用太陽能電池陣列供電，很快便會完成空中定位以及飛行準備。

第一天：將使用自身搭載的小型火箭發動機進行第一次軌道修正，此外還會布置高增益天線以便實現數據傳輸。韋布望遠鏡有兩種類型的火箭推進器；一種稱為二次燃燒增強推進器（SCAT），使用肼和四氧化二氮作為燃料和氧化劑，用于軌道校正；另一種推進器稱為單組元火箭發動機（MRE-1），只使用肼作為燃料。gzslib202204041027

第一周：重點是進行第二次軌道修正，隨后展開遮陽罩，在此期間還要進行望遠鏡其他部分展開的布局。

第一個月：重點是進入L2軌道并設置望遠鏡，包括鏡體展開和冷卻、科學儀器的開機。冷卻時間通過電熱裝置控制，防止驟冷引起設備故障，讓內部殘留的水可以氣化逸出，防止鏡面結冰。

之后五個月：第一個月的月末將進入L2最佳位置，并利用5個月時間校正光學器件共焦和校準科學儀器。

第六個月末：儀器校準和調試完成，開始真正的科學觀察。

2019年，所有科學設備集成完畢。

2021年初，望遠鏡通過了測試，并準備在2021年末進行發射。

2021年末，“千呼萬喚始出來”的韋布望遠鏡本來預告在12月22日發射，結果由于天氣原因又推遲到25日，這真是“鴿王”最后的倔強。

遲了這么久，它“過時”了嗎

雖然韋布望遠鏡一再“放鴿子”，但是人們對它還是充滿期待，因為它仍保持著非常先進的技術并搭載著極具創新性的設備。

第一看其拼接型的主鏡。主鏡口徑達6.5米，為了能將其塞進火箭中而設計成了部分折疊的形式。子鏡設計為六邊形，不僅保證了填充效率還具有高對稱性，只需設計三種子鏡面形即可。進入軌道后，主鏡會重新展開，工程師利用紅外相機對已知恒星拍照，通過對比18個子鏡各自成像的情況，利用計算機算法將主鏡調整共焦。

為了保證對微弱紅外光的反射率，鏡面需要鍍上一層厚度（0.1微米）均勻的金薄膜，并且冷卻到極低的溫度，防止鏡體自身對光的吸收以及自身輻射的紅外線淹沒了目標光信息。

第二看其工作地點。在18世紀，拉格朗日解決了“三體問題”，即三個物體互相圍繞旋轉而保持相對位置不動的布局。這個問題最終有5個解，即左圖所示的L1—L5這5個拉格朗日點。在這5個點上，兩個大質量物體提供的引力，恰好可以維持第三個物體圓周運動所需要的向心力。韋布望遠鏡將在L2點附近工作，只需要很小的推進力即可保持在工作軌道上。

第三看其遮光罩，能讓望遠鏡保持極低溫度的秘密武器就是這個遮光罩。它由5層被稱為“Kapton”的聚酰亞胺薄膜材料構成，每一層都涂有鋁，靠近太陽的第一層和第二層還涂有摻雜硅，可以在-269℃～400℃的范圍內保持穩定。遮光罩采用熱點粘合（TBS）工藝無縫拼接，如果出現撕裂，該工藝可以防止撕裂口延伸到其他區域。遮光罩的降溫效果十分優秀，韋布望遠鏡工作時，面向太陽一面的溫度將達到110℃，而到了第五層時最低溫度可達到-237℃！此外，為了平衡光壓，保證韋布望遠鏡的姿態，遮光罩在設計時還有力學方面的考量。

四大關鍵科學儀器

韋布望遠鏡搭載了4個關鍵科學儀器：近紅外相機（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、精細制導傳感器/近紅外成像儀和無縫隙光譜儀（FGS/NIRISS）。

近紅外相機是韋布望遠鏡的主要成像設備，由亞利桑那大學和洛克希德·馬丁公司制造。其工作波段為0.6～5微米。它所搭載的10個碲汞鎘（HgCdTe）探測器陣列將用來發現處于形成時期的恒星和星系、觀測星系中的恒星數量以及銀河系和柯伊伯帶天體中的年輕恒星。gzslib202204041027

近紅外光譜儀由ESA提供，覆蓋波段0.6～5微米。通過紅外光譜不僅可以“看出”物體的溫度等物理信息，還可以分析目標的化學組成。由于光線微弱，韋布望遠鏡需要“盯著”目標數百個小時積累光能。所搭載的微快門陣列使其可以同時觀察100個目標以提高效率，因此成為太空中第一臺具有如此非凡能力的科學儀器。

中紅外儀器具有相機和光譜儀的功能，由歐洲和美國多個研究機構合作完成，工作波段為5～28微米。它的相機模塊具有極高的靈敏度，可探測到微弱的光并提供寬視場圖像；光譜儀模塊搭載3個摻砷硅（Si：As）探測器陣列，可在小視場內提供中等分辨率光譜和觀測信息。

近紅外成像儀和無縫隙光譜儀由CSA制造，針對不同的波長范圍有不同的工作模式；精細制導傳感器將結合星敏感器，確保韋布望遠鏡能夠精確地長時間指向觀察目標，收集足夠的光能，得到高質量的圖像。

上天之后，它會看到什么

由于宇宙的膨脹，物體之間的空間被拉伸，這導致136億年前宇宙中第一批恒星發出的光到達太陽系時會發生很強的“紅移”，即光的波長相對于它發出時變長了。可以預計，宇宙中最初的恒星發出的紫外光和可見光已經變為近紅外和中紅外光。宇宙中的紅外望遠鏡能夠發現它們。

如果譜線紅移波長是原有波長的2倍，則稱為1倍紅移；如果譜線紅移波長為原有波長的3倍，則稱為2倍紅移。韋布望遠鏡可觀測15倍紅移的光（紫外光已經變為中紅外光），確保它有足夠的實力還原宇宙中誕生第一顆恒星時最初的模樣！

此外，韋布望遠鏡還可以幫助我們研究星系的形成。20世紀初期，人們認為宇宙就是銀河這座孤島，在其外只是零星的模糊亮斑。1923年，美國天文學家埃德溫·哈勃在仙女座中觀測到了一顆有規律的明暗變化的恒星，判斷出它距離銀河系很遠，是一個獨立的星系。這一發現如哥白尼提出“日心說”般，讓人類重新認識到宇宙的浩瀚。

星系所呈現出的各種形狀，一般被認為是近10億年前星系之間相互干擾和合并造成的。哈勃空間望遠鏡已經拍到了一些星系模糊的形狀并整理得到了一些規律。作為繼任者，韋布望遠鏡將會更清楚地看到種類繁多的星系。

韋布望遠鏡的另一類重要任務是研究系外行星的大氣層并尋找其他可能有生命存在的行星。通過光譜學研究，我們可以推測目標的顏色、四季變化、植被和天氣等信息（如果有的話）。

韋布望遠鏡同時也將利用光譜學技術，通過分析對比不同物質獨特的光譜線，了解太陽系中天體的化學組成，更詳細地解讀“人類的家園”。

韋布望遠鏡現在已經順利進入L2工作點，并且正在進行子鏡對焦和共相工作，期待此后的工作一切順利。