一文讀懂詹姆斯·韋伯空間望遠鏡

文/杜駿豪

2021 年12 月25 日，在世人的矚目下，數(shù)千名科學家與工程師花費20 余年精心的設計與建造的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡終于發(fā)射升空。

如果你站在直徑6.5 米的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡前，一定不敢大聲喘息。這部望遠鏡擁有18 片一塵不染的鍍金主鏡片、5 張薄如蟬翼的聚酰亞胺隔熱罩、低至-223℃的工作溫度、97 億美元的制造成本。它是人類迄今為止制造的最大、最復雜、最強勁、最具有想象力的空間望遠鏡，簡稱JWST。

▲ 韋伯望遠鏡標志性的外觀——18 片六邊形鍍金鈹鏡組成的主鏡

▲ 韋伯望遠鏡光路示意圖

▲ “哈勃”與“韋伯”主鏡對比示意圖

韋伯空間望遠鏡部署后可以替代年事已高的哈勃空間望遠鏡。與專注于可見光波段的“哈勃”不同，“韋伯”可以看到波長更長的中紅外波段，同時具有更高的靈敏度與分辨率。它可以看到宇宙中最久遠的事件和最遙遠的物體，并在天文學和宇宙學研究前沿大放異彩，對推動整個人類社會的進步有重大意義。

光學設計：盡帶黃金甲

光學望遠鏡模塊(OTE)是韋伯空間望遠鏡的主要結構之一，由望遠鏡的主鏡、次鏡、三級反射鏡、精細轉向鏡、望遠鏡框架及其控制裝置等結構組成。OTE 好比整個韋伯望遠鏡的眼睛，其原理是三鏡消像散望遠鏡：光線首先由主鏡匯聚并反射給次鏡，次鏡進一步將光線傳遞給處于望遠鏡中心的三級反射鏡，而后經過精細轉向鏡傳遞給綜合科學儀器模塊進行光線的接收與處理。

“韋伯”最吸人眼球的便是那18面金光閃閃的六邊形主鏡。這是一面直徑6.5 米的鍍金鈹質反射鏡，總面積達到了25.4 平方米，是“哈勃”的6 倍以上。對望遠鏡來說，口徑既真理，“韋伯”的觀測能力與“哈勃”相比有巨大的提升?！肮迸臄z著名的“超深場”圖像時，一動不動地指向太空中同一個地方，連續(xù)拍攝了16 天才捕捉到那令人難以置信的微弱、遙遠星系的圖像。與之相比，“韋伯”將在短短7 小時內完成類似的觀測任務。

質量方面，“韋伯”的總重約6.5噸，只有“哈勃”的一半，但是體積卻比“哈勃”有明顯的提升。其中“哈勃”主鏡為玻璃材質，總重828 千克，而“韋伯”則選用了元素周期表里第四個元素——金屬鈹，它具有極低的密度，使巨大的主鏡重量只有705 千克。此外，鈹還有硬度較高、熱膨脹系數(shù)較低等優(yōu)點，使“韋伯”能夠勝任工作條件下巨大的溫差而不會產生過多的熱脹冷縮?！绊f伯”的鈹鏡表面利用氣相沉積技術噴涂了100 納米厚的金層，盡顯奢華，因為金可以很好地提高紅外光反射率，起到更好的成像效果。最后，工程師在金層外面又噴涂了一層極薄的二氧化硅，以防止柔軟的金層被劃傷。

▲ 2012 年，技術人員正在檢查其中一片主鏡

▲ 2017 年，準備進行低溫測試的OTE 模塊

對主鏡的設計與建造是整個韋伯望遠鏡工程中最具挑戰(zhàn)性的。主鏡展開后寬達6.5 米，如果把它做成一面單獨的大鏡子，則對現(xiàn)有的運載火箭來說均太大了。因此工程師將主鏡分割成18 塊正六邊形，在發(fā)射前折疊放入火箭整流罩，發(fā)射后再展開，異常精巧，是合理利用火箭整流罩空間的設計典范。

因為主鏡展開后的精度對望遠鏡的觀測能力有巨大的影響，如何保證展開后的精度是主鏡設計的難點之一，換句話說，18 片獨立的鏡片在展開后要渾然一體。對此，工程師為每一片鏡片設計了6 個電動伺服機構(致動器)，使每片鏡片均能單獨調整角度，最高調整精度甚至達到了5 納米，這一尺寸大約相當于人類頭發(fā)絲的一萬分之一。在發(fā)射后，近紅外相機 (NIRCam) 的波前傳感器會測量每一片主鏡的誤差，進而利用計算機算法實現(xiàn)每一片鏡片的自動調整。

▲ 工程師使用干冰清潔次鏡

▲ 三級反射鏡和精細轉向鏡

“韋伯”的次鏡、三級反射鏡的材質與主鏡相同，均為鍍金鈹鏡。其中次鏡是一個直徑74 厘米的圓形曲面，三級反射鏡則是一個更小的不對稱六邊形鏡片。光線經過主鏡、次鏡、三級鏡的反射后，由精細轉向鏡進一步穩(wěn)定圖像，傳遞給綜合科學儀器模塊中的四個主要科學載荷，對光線進行分析與處理。

軌道及熱控設計：寒光照鐵衣

體溫槍的原理是測量人體發(fā)射出紅外線的強度，因為物體的溫度越高，向四周輻射出的能量就越強，輻射出來的紅外線就越多。如果“韋伯”的工作溫度過高，它的鏡片等結構自身也會發(fā)射出紅外線，遮蓋住來自遙遠星系的微弱紅外光。因此，“韋伯”的光學望遠鏡模塊需要在-223℃以下的極端低溫中工作。

在太空中對探測器影響最大的熱源是太陽，遠離太陽便可以降低太陽的輻射量，但是過遠則會影響太陽能板的正常電力供應，并且降低對地通信速率?？茖W家與工程師找到了一個熱量與電源的絕佳的平衡點——拉格朗日L2 點。地球與太陽形成的穩(wěn)定體系中存在5 處引力平衡點，韋伯望遠鏡便選擇了日地拉格朗日L2 點作為自己的大本營。只需要微量的擾動，韋伯望遠鏡就可以長期穩(wěn)定在L2 點附近。在此處，韋伯望遠鏡可以將陽光全部“拋于腦后”，將鏡面對向沒有太陽的天空。

日地拉格朗日L2 點距地球約150萬千米，在此處來自太陽、地球與月球的紅外線依舊會對紅外觀測產生影響。為了使探測器溫度進一步降低，科學家已經用出了渾身解數(shù)——2009年發(fā)射的赫歇爾空間天文臺也運行在L2 點，同時使用昂貴的液氦作為制冷劑，其溫度低至-267.7℃。但是有限的液氦在2013 年4 月就用完了，導致其工作溫度不斷上升，此后的觀測性能大打折扣。

▲ 韋伯望遠鏡軌道示意圖，天體大小未按照真實比例

▲ 展開后的五層菱形隔熱罩

▲ 韋伯望遠鏡的隔熱罩原理示意圖

▲ 折疊完畢的韋伯望遠鏡，左右淡紫色的是其隔熱罩

為了實現(xiàn)更長的使用壽命，“韋伯”并未使用液氦作為自己制冷的主要手段，而是攜帶了五張網(wǎng)球場大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩——這是“韋伯”的另一個醒目特征。每張隔熱罩厚度與人類的頭發(fā)直徑相近，離太陽最近的層厚0.050 毫米，其他層厚0.025 毫米。為了提高薄膜的反射率，以將更多熱量反射出去，隔熱罩正反面均附有一層100 納米厚的鋁，離太陽最近的兩層還摻雜了硅，這是這兩層材料顯現(xiàn)出淡紫色的原因。每層隔熱罩均可以阻擋約90%的熱量，五層協(xié)同工作可以使兩側的溫度差達到約300℃，為望遠鏡主要結構提供-223℃以下的工作溫度。

與望遠鏡相同，巨大的隔熱罩是不能以展開狀態(tài)放入火箭整流罩的。完全展開的隔熱罩長約21 米，寬約14 米，在發(fā)射前它將像折紙一樣小心地折疊12 次，在發(fā)射后通過復雜的機械設備按部就班地展開到位。

遮陽板可以將望遠鏡的鏡片等結構溫度降至-223℃以下，但該溫度對于科研探測設備來說還是偏高了。三部近紅外成像儀將通過被動冷卻系統(tǒng)在大約-234℃下工作。中紅外成像儀的要求更加苛刻，它的工作溫度低至-266℃，在它身上只能通過液氦進行冷卻。不過，它對于液氦的需求量遠低于赫歇爾空間天文臺，液氦資源不會過于捉襟見肘。

發(fā)射流程：只影向誰去

韋伯空間望遠鏡使用歐空局研制的阿里安5 號運載火箭，在法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射場發(fā)射升空。前面已述，韋伯望遠鏡的光學結構與隔熱結構均是折疊的，發(fā)射后需要展開。此外，“韋伯”還有太陽能板、通信天線等至關重要的儀器設備需要展開后才能正常工作。因此發(fā)射后的韋伯望遠鏡不能立即工作，還有6 個月的在軌部署與測試工作等著它。

▲ 韋伯望遠鏡在軌部署全流程示意圖 制圖：杜駿豪

上圖顯示了“韋伯”發(fā)射后在軌部署的全流程工作。起飛26 分鐘后，火箭完成任務，韋伯望遠鏡獨自踏上去往日地拉格朗日L2 點的路(A)。緊接著，它的太陽能板將會首先展開（B)，畢竟充足的電源是日后所有工作的基礎。兩小時后它會轉動通信天線，對準地球(C)。

下一步是隔熱罩展開。發(fā)射3 天后，主鏡前后的隔熱罩托盤先后打開(D/E)，光學望遠鏡模塊整體抬升以與隔熱罩拉開距離 (F)。下一步將會展開一面不太起眼的襟翼(G)，它的作用是平衡巨大隔熱罩承受的太陽風的壓力，可以最大限度地降低任務期間的燃料用量。最關鍵的步驟便是將五層隔熱罩展開到位并張緊(H/I)，這個過程耗時兩天。最后，每層隔熱罩之間還需要分開一定的距離，起到更好的隔熱效果(J)。

隨后進行光學望遠鏡模塊的展開工作，此步驟耗時4 天。首先會將次鏡的長臂打開，使次鏡到位并鎖緊(K)。然后會將望遠鏡背部的儀表散熱器展開(L)，該散熱器承擔著紅外成像儀等關鍵科研儀器的降溫工作。最后兩天依次展開左右兩邊的主鏡(M/N)，所有的在軌展開工作便大功告成了。在這個環(huán)環(huán)相扣的繁瑣環(huán)節(jié)中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將對韋伯望遠鏡的工作性能產生影響。因為拉格朗日L2點距離地球較遠，我們沒有機會派載人飛船前去維修，所以一切工作都要在地面試驗以確保萬無一失。

之后是漫長的望遠鏡整體的調試期，耗時至少6 個月。工程師和科學家將確認每臺科研儀器都在正常工作，并對18 片主鏡進行調試，以使其達到最佳聚焦能力。

任務目標：欲窮千里目

綜合科學儀器模塊(ISIM)承擔著韋伯望遠鏡的科研探索工作，一共由四款主要儀器組成，分別是近紅外相機(NIRCam）、近紅外光譜儀(NIRSpec)、精細制導傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)、中紅外儀(MIRI)。

近紅外相機、近紅外光譜儀均可以觀測0.6 到5.0 微米的波段，近紅外相機還承擔著18 片主鏡的在軌測試與校準任務。精細制導傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)由精細制導傳感器、近紅外成像與光譜儀聯(lián)合組成，可以觀測0.8 至5.0 微米的波段。精細制導傳感器是整個韋伯望遠鏡的“羅盤”，通過這一傳感器，“韋伯”能以極高的精度指向需要探索的天空。中紅外儀是中紅外波段相機與光譜儀的復合體，可觀測4.6到28.6 微米的中長紅外波段。它還配備了日冕儀，非常適合觀測系外行星。

有了這些波段與原理互補的科學載荷，“韋伯”就化身成為一部時光機器。它可以看到130 億光年外非常遙遠的宇宙，觀測宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙久遠的歷史。另外，“韋伯”還可以通過觀測遙遠的原始星系，以確定星系是如何演化的，這對我們反思我們的太陽系如何形成與演化有著建設性意義。在星云中間，有不少低能量褐矮星、年輕的原恒星，因為它們的光芒過于暗淡，只有通過“韋伯”我們才能觀察到它們，“韋伯”將為我們揭示一個由不可見的恒星和行星組成的隱秘宇宙。對于系外行星的探索甚至有助于我們揭開地球上生命起源的疑團。

“哈勃”極深場圖像是人類拍攝過迄今為止最久遠宇宙的照片，其中有132 億年前的古老星系?！绊f伯”將會拍出更加震撼的圖像。

作為人類史上最強勁的望遠鏡，人類已經為它傾注了所有科技、財力與時間。韋伯空間望遠鏡代表著人類最深邃的好奇心，它能帶我們看看未曾一見的神秘世界，為我們探尋宇宙與生命起源的奧秘，為整個人類的科學認知貢獻不可泯滅的力量，讓我們祝它一路順風！

▲ “哈勃”極深場圖像是人類拍攝過迄今為止最久遠宇宙的照片，其中有132 億年前的古老星系?！绊f伯”將會拍出更加震撼的圖像