韋伯望遠鏡：洞悉宇宙黎明

戴銘玨

太空中的詹姆斯·韋伯望遠鏡想象圖

人類自能夠雙腿直立行走的那一刻起，就開始仰望星空，并開始思考斗轉(zhuǎn)星移的奧秘。然而只有當(dāng)望遠鏡出現(xiàn)后，我們才對星空有了科學(xué)的認識。

在望遠鏡的發(fā)展歷史上，出現(xiàn)了一系列重要的成果，如葉凱士望遠鏡、胡克望遠鏡、海爾望遠鏡和凱克望遠鏡等望遠鏡的觀測成果，徹底顛覆了人類對宇宙的認知。在望遠鏡的制作者中，涌現(xiàn)了如伽利略、牛頓、威廉·赫歇爾、海耳等永載史冊的光輝人物。而從望遠鏡的成像原理出發(fā)，也衍生出了折射式、反射式和卡塞格林式等望遠鏡。從觀測波段來說，望遠鏡已經(jīng)擺脫了光學(xué)的單一波段。有的大型望遠鏡需要搭載火箭，飛到太空中去工作，依然在役的哈勃望遠鏡就是太空望遠鏡的杰出代表。

從2022年開始，太空中將會迎來一個新的大型望遠鏡。隨著它開始工作，并傳回一張又一張拍攝的照片，它也會一次又一次地點燃人們對宇宙的熱情，它就是為了紀念美國宇航局的第二任局長而命名的詹姆斯·韋伯望遠鏡。

詹姆斯·韋伯望遠鏡運行在太陽與地球的第二個拉格朗日點。如果把太陽和它連成一條直線的話，那么地球就位于中間，它一直躲在距離地球外側(cè)150萬千米的地方環(huán)繞太陽運行，這也讓它成為了一顆行星。

望遠鏡一般都能看到可見光，但詹姆斯·韋伯望遠鏡看到的卻是人眼看不到的紅外線，因而它屬于紅外線望遠鏡。雖然它也能看到可見光，但是它更擅長的是觀測紅外線。

任何物體的表面溫度只要不降低到絕對零度，都會發(fā)出紅外輻射。為了屏蔽太陽系天體的干擾，詹姆斯·韋伯望遠鏡需要攜帶一個遮陽板。這個遮陽板是由十分復(fù)雜的復(fù)合材料制成的，看上去就像是透明的塑料薄膜那樣，但卻有著很高的強度。遮陽板一共有5層，將其完全展開有一個網(wǎng)球場那么大，能把來自太陽的熱量減少到原來的百萬分之一，可以保證詹姆斯·韋伯望遠鏡始終都處在低溫環(huán)境中。太陽系的其他行星，由于受到太陽的輻照，也會產(chǎn)生紅外輻射，遮陽板也會把這樣的熱量屏蔽掉。

除此之外，詹姆斯·韋伯望遠鏡還需攜帶其他多種多樣的制冷設(shè)備，以防止自身產(chǎn)生的熱輻射，從而保障照相機能在低溫下工作。一般情況下，鏡面溫度要保持在零下220度左右。

從光學(xué)原理上來說，詹姆斯·韋伯望遠鏡是一個牛頓式反射望遠鏡，其主體部分是一個大的凹面反射鏡。在反射鏡的焦點上，還有二次反射鏡把它的光線反射回來，這是一個凸面反射鏡，第三個反射鏡處在大凹面反射鏡的中心部位，該部位安裝著星光分析設(shè)備或是照相機，這種設(shè)計讓望遠鏡的視野十分開闊。

因而，詹姆斯·韋伯望遠鏡是一個怪模怪樣的望遠鏡，它的另外兩個反射鏡較小，不顯眼，遠遠望去，它更像是一個放置在遮陽板上的太陽灶。

金光閃閃的望遠鏡

建造詹姆斯·韋伯望遠鏡所耗費的資金是驚人的。在最初的設(shè)計方案中，其預(yù)算是5億美元。然而，在研制的過程中，其預(yù)算一再上漲，直至最后漲到了接近100億美元。

擁有非凡身價的詹姆斯·韋伯望遠鏡有著金光閃閃的外觀，其主鏡盤籠罩在一片金黃的光芒中，那確實是金子，但僅僅是表面電鍍上了黃金，它的真實材料其實是鈹這種金屬元素，鈹這種元素質(zhì)量輕且強度高，即使受到隕石撞擊，表面也不會受損，表面鍍上黃金可以改善它在紅外波段的反射能力。

最引人注目的是詹姆斯·韋伯望遠鏡主鏡盤的直徑達到了6.5米，單一的鏡面尺寸難以做得這么大，這是一個共有18塊小鏡片組合而成的鏡盤。這些小鏡片都是呈六角形的，因而主鏡盤的邊緣是鋸齒形的，而不是圓形的。每一塊小鏡片的下方都安裝有7個微型電機，可以讓它的位置作出上下改變，從而使18個小鏡片能夠精確地組合成拋物線的外形，也就是最標(biāo)準(zhǔn)的反射鏡。金光閃閃的鏡盤就是韋伯望遠鏡的主要部件，其所有的配套設(shè)備都是為這個鏡盤服務(wù)的。

哈勃望遠鏡與詹姆斯·韋伯望遠鏡口徑和性能對比

在工廠裝配的詹姆斯·韋伯望遠鏡

詹姆斯·韋伯望遠鏡折疊起來的主鏡盤

詹姆斯·韋伯望遠鏡的主鏡盤和副鏡盤

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是迄今體型最大、能力最強、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的紅外線望遠鏡。它吸收了哈勃望遠鏡和已經(jīng)退役的斯皮策太空望遠鏡的優(yōu)點。為了能讓它超越前輩，達到更高的水平，科學(xué)家需要解決的問題實在是太多了，才導(dǎo)致發(fā)射日期的不斷更改。1996年，在項目初期，詹姆斯·韋伯望遠鏡計劃于2007年發(fā)射升空。但是在2005年，設(shè)計方案作了較大的調(diào)整，因而發(fā)射時間也被迫延后。此后，詹姆斯·韋伯望遠鏡的發(fā)射時間一而再、再而三地延期，從2014年改為2018年，然后又變成2019年，后來又變成2020年。如今，它的發(fā)射時間終于被鎖定，將于2021年10月31日升空。25年的等待終于有了最后的結(jié)果。

建造詹姆斯·韋伯望遠鏡所耗費的人力也是巨大的。雖然它最初名義上是美國宇航局的項目，但是，歐洲空間局和加拿大太空局也參與了這項工作，它是國際合作的結(jié)晶。迄今共有258家公司、相關(guān)機構(gòu)和大學(xué)參與其中，其中142家來自美國，104家來自12個歐洲國家，以及12家來自加拿大，幾千名科學(xué)家和各個領(lǐng)域的專家參與它的研發(fā)工作。美國戈達德宇宙飛行中心負責(zé)詹姆斯·韋伯望遠鏡的研發(fā)工作。升空之后，負責(zé)運營哈勃望遠鏡的美國太空望遠鏡科學(xué)研究所將會接手詹姆斯·韋伯望遠鏡的運營。

開啟探索宇宙新時代

詹姆斯·韋伯望遠鏡一直被視為哈勃望遠鏡的接替者。哈勃望遠鏡在20世紀90年代開始工作，以卓越的成就，開啟了人類認識宇宙的新紀元。它不斷地帶給人們驚喜，雖然預(yù)期壽命只有5年，但是已經(jīng)在太空服役了30多年。隨著歲月的流逝，哈勃望遠鏡已無法擔(dān)負起新的使命，它需要一個更為強大的接班人。詹姆斯·韋伯望遠鏡將會接過接力棒，繼續(xù)人類探索宇宙的事業(yè)。

2020年10月，為了模擬火箭的發(fā)射環(huán)境，詹姆斯·韋伯望遠鏡完成了環(huán)境測試試驗。2020年12月，它完成了遮陽板的一系列測試。2021年5月，它又完成了鏡面的展開試驗。此后，它就被封閉起來，運到位于法屬圭亞那的庫魯附近的歐洲航天發(fā)射場，阿麗亞娜5型運載火箭將會在2021年10月31日發(fā)射升空，將這個龐然大物送上太空。

由于詹姆斯·韋伯望遠鏡的鏡面直徑已經(jīng)超越了火箭的最大直徑，因而，在發(fā)射時，它的18塊六角形的小鏡片和遮陽板需要折疊起來。等進入太空軌道時，再按照指令將它們一一展開。詹姆斯·韋伯望遠鏡將于2022年才能正式投入工作，我們等待著它拍攝的第一幅照片，那一定會是震撼世界的杰作。

目前，世界上多個科學(xué)機構(gòu)都已經(jīng)在排隊等待著使用詹姆斯·韋伯望遠鏡。截至2020年年底，已經(jīng)有44個國家的科學(xué)家提交了1000多份申請，這些申請占據(jù)了詹姆斯·韋伯望遠鏡一年工作量的2/3，但這些申請還要經(jīng)過嚴格的審核才能獲批。

詹姆斯·韋伯望遠鏡不僅能幫助科學(xué)家更為精細地了解太陽系以外的行星，觀測它們的形成及演化，也有助于人類找到一個宜居的家園。此外，它還能更清晰地看到遙遠的星系和宇宙的邊緣，以及星云的精細結(jié)構(gòu)。宇宙大爆炸之后，殘留的紅外輻射可以用來研究宇宙大爆炸的很多信息，對此，詹姆斯·韋伯望遠鏡也能準(zhǔn)確地捕獲到宇宙大爆炸之后的第一縷星光。

當(dāng)詹姆斯·韋伯望遠鏡飛到距離地球外側(cè)150萬千米的地方，并經(jīng)過一步又一步的精確調(diào)整后，人類迄今最強大的“巨眼”就將開始工作了。