“遲到”了14年的韋布望遠鏡，到底有多強？

毛新愿

2021年12月25日，這注定是人類航天史的歷史性時刻——本來計劃2007年就發(fā)射升空的詹姆斯·韋布太空望遠鏡（以下簡稱“韋布望遠鏡”），在經(jīng)歷無數(shù)次“推遲發(fā)射”后，終于搭乘歐洲太空局的阿麗亞娜5-ECA火箭成功升空，開始了它前往150萬千米外“日-地拉格朗日2點”的旅途。是的，你沒聽錯，如果從這項計劃被提出的1996年算起，這臺耗費了巨資的空間望遠鏡，足足花費了25年的時間才姍姍來遲，這么漫長的等待，值得嗎？

迄今為止全世界最貴望遠鏡，究竟有多貴？

韋布望遠鏡的建造計劃始于1996年，此時著名的哈勃太空望遠鏡正是“年輕力壯”的時候，它陸續(xù)獲得的突破性發(fā)現(xiàn)讓天文學(xué)家們有了更“非分”的想法——如果造一臺比“哈勃”看得更遠、更暗、更清楚的太空望遠鏡并送入太空，是不是能取得更震撼的科研成果呢？于是，20個國家和地區(qū)組織持續(xù)25年的投入和數(shù)萬名科學(xué)家的傾力合作，造就了這個史上制造單價最貴的航天器。起初，這個項目的預(yù)算是5億美元，計劃到2007年發(fā)射升空。但后來的事情我們都知道了：時間越來越長，望遠鏡也越來越貴……

貴到了什么程度？

目前，包括后續(xù)的運營和科研費用，韋布望遠鏡的總經(jīng)費預(yù)計已超過100億美元?？紤]到它的質(zhì)量僅為6.5噸，也就意味著它的單價超過人民幣10000元/克，是黃金單價的20余倍！

韋布望遠鏡究竟有什么樣的“過人之處”，能讓這么多國家和地區(qū)組織傾注如此大的人力、物力、財力在它上面？它又能為人類帶來什么呢？

貴有貴的道理——卓越的觀測能力遠超前輩

宇宙是個充斥著各種電磁波和高能粒子的“喧鬧”世界，那里既藏著遙遠的歷史，也昭示著人類乃至整個太陽系的未來。

人類設(shè)計太空望遠鏡，主要是去觀測可見光到紅外線頻段，尤其是追蹤宇宙大爆炸后殘留的紅外線。這些紅外線已經(jīng)在宇宙中傳播了138億年，蘊藏著宇宙最初的奧秘，令天文學(xué)家們無限神往。

然而，地球大氣層、磁場、人類活動等因素，卻使得地球成了一個典型的“信息繭房”。在廣闊的電磁波頻段中，只有極小一部分能順利抵達地球表面并被望遠鏡觀測到，其他的則幾乎都被屏蔽在外。

解決這個問題的辦法只有一個：把望遠鏡送到太空里去。

不同望遠鏡的使命也不同，這次被送出地球的韋布望遠鏡觀測頻段主要集中于波長為0.6微米—28.3微米的橙色光到紅外線頻段，由于口徑更大，并采用了一系列新技術(shù)，它獲得了遠超前任哈勃、施皮茨、赫歇爾等知名太空望遠鏡的觀測能力。比如說，它能夠看到更暗、更古老的天體，甚至可以追蹤到宇宙中第一批星系形成的痕跡，投入工作后將會極大地推進人類紅外天文學(xué)的相關(guān)研究進程。

前所未有的造價和劃時代的意義，也讓這架望遠鏡“榮幸”地以NASA第二任局長詹姆斯·韋布的名字來命名。詹姆斯·韋布于1961—1968年在任，領(lǐng)導(dǎo)NASA取得了很多成就。在這一時期，NASA曾獲得空前絕后的資金支持，不僅推動了水星計劃、雙子座計劃、阿波羅登月計劃、先鋒計劃、水手/旅行者計劃等一系列大型項目的開展，也為美國在航空航天領(lǐng)域的人才技術(shù)優(yōu)勢打下了堅實基礎(chǔ)。

造價100億美元，這些錢都花在了哪里？

雖然100億美元看起來很多，但實際上對于研制韋布望遠鏡這樣的頂級望遠鏡項目來說，并不算非常寬裕，至少不是大家想象中的錢想怎么花就怎么花。沒辦法，前沿科學(xué)研究就是這么燒錢。為了獲得更好的觀測能力，韋布望遠鏡在各個方面都進行了升級、更新，可以說每筆錢都用在了刀刃上。

1.更大口徑的鏡片

光學(xué)和紅外望遠鏡的核心是鏡片，它們的口徑與觀測能力成正比，但更大的口徑同樣意味著更高的成本。相比哈勃望遠鏡，韋布望遠鏡的鏡面口徑從2.4米提升到了6.5米，集光面積也從4.5平方米攀升到了25.4平方米。

需要注意的是，口徑增加帶來的整體難度和造價提升并不是線性增長的，光是這一項就直接決定了韋布望遠鏡的預(yù)算遠超哈勃望遠鏡。

這么大的鏡面幾乎很難整體制造——不僅失敗風(fēng)險大、材料成本極高，而且勢必也會帶來整體質(zhì)量和體積的攀升，甚至遠超人類現(xiàn)有火箭的發(fā)射能力。因此，韋布望遠鏡的鏡面設(shè)計選擇了拼接方案，由18面一模一樣的六邊形鏡面組成，發(fā)射時折疊起來，進入太空后再拼接到一起。

2.堪稱“鬼斧神工”的鏡面材料

韋布望遠鏡在制造、發(fā)射和工作時要面臨截然不同的溫度環(huán)境。特別是它的核心器件工作溫度已非常接近絕對零度（-273.15℃），對鏡面材料的要求極高，需要同時具備抗彎剛度高、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、反射率高、密度低、溫度形變小、性質(zhì)不活潑等特點。

而在精度要求上，最后鏡片成型的制造加工精度要達到10納米級別，這個要求所允許的誤差相當(dāng)于一張A4紙厚度的萬分之一！在進入太空后，整體拼接和鏡面姿態(tài)控制的精度也要達到同等水平。

綜合上述要求，韋布望遠鏡的鏡面主要材料選擇了堿土金屬鈹，10納米幾乎就是幾十個鈹原子并排擺在一起的寬度，這是接近“鬼斧神工”級別的制造加工工藝要求。

3.一把屏蔽熱量的“太陽傘”

遠離地球，不代表能徹底擺脫地球的干擾，韋布望遠鏡還要面對太陽光和地球反射光/熱輻射的干擾。為此，它需要背上一個大大的“太陽傘”來屏蔽熱量，并使用主動冷卻系統(tǒng)維持核心部件接近絕對零度的工作環(huán)境。

按照設(shè)計要求，這把傘需要提供300℃以上的溫度屏蔽效果。這相當(dāng)于一面是高溫油炸，另一面卻是冰天雪地。五層遮陽板的每一層材料主要由聚酰亞胺、硅膜和鋁膜組成，最厚的首層也僅有50微米，比人類頭發(fā)絲的直徑還小，而中間層僅有25微米厚。

更大的難點還在后面——這把“太陽傘”如何順利展開？

“太陽傘”每一層的面積約300平方米，在發(fā)射時會被塞進火箭里。經(jīng)過劇烈振動進入太空后要在激光引導(dǎo)下讓100余個小型機械裝置帶著逐層展開，難度可想而知。這無疑是人類歷史上最高科技的一塊遮陽板。

韋布望遠鏡的每一個部件都需要最先進的科技，且研發(fā)出來后都是“孤品”：既沒有備份，也不會量產(chǎn)，必須保證100%成功率。除此以外，每個部件還要經(jīng)過一系列極高成本的測試和維護。這些因素累加在一起，讓韋布望遠鏡的預(yù)算迅速攀升。

看似一再推遲，其實是必須一次成功的魄力

我們都知道，哈勃望遠鏡雖然遠在太空中，但也僅離地球表面大約575千米，可以說“緊挨”著地球。那韋布望遠鏡為什么不能像哈勃望遠鏡一樣，在離地球近一些的地方工作呢？

這是因為地球和所有的物體一樣都是熱源，在源源不斷地往外反射陽光和輻射紅外線。另外，在地球附近也會不可避免地存在逃逸的空氣分子和星際塵埃，對太空望遠鏡依然有一定影響。對于更加精密的韋布望遠鏡來說，這些影響尤其明顯。所以，科學(xué)家們想盡辦法把它推離它的誕生地——地球。

然而，遠離地球后，并非就完事大吉了。進入錯綜復(fù)雜的引力世界，航天器將受到太陽、地球、月球，乃至宇宙萬物的引力影響，這使得它的軌道很難穩(wěn)定下來。對于質(zhì)量和體積都很大的望遠鏡而言，如果頻繁地依靠發(fā)動機工作維持軌道，就必須要在發(fā)射時攜帶大量推進劑，那樣就會極大地影響觀測質(zhì)量。

因此，權(quán)衡利弊后，科學(xué)家們選擇了引力平衡的“日-地拉格朗日2點”作為韋布望遠鏡的工作地點。這里距離地球約150萬千米（月球距離地球不過38萬千米），遠離了地球這個熱源和灰塵源的干擾，溫度也在-220℃以下，可滿足望遠鏡的整體工作溫度環(huán)境要求。此外，在“日-地拉格朗日2點”，太陽和地球兩大引力源和諧共處，共同牽引韋布望遠鏡圍繞太陽穩(wěn)定運動，航天器所需要的軌道維持成本極低。

不過，這給韋布望遠鏡帶來了另一大挑戰(zhàn)：這么遠的距離，一旦它出了任何問題，人類是不可能去維修的。這也意味著它變成了一錘子買賣，必須一次性成功，不能有任何失誤。這和哈勃望遠鏡形成了鮮明的對比。當(dāng)年“哈勃”升空后出現(xiàn)了一系列問題，于是在1993至2009年間，人類通過五次極其昂貴的航天飛機任務(wù)不斷維護并升級“哈勃”，才使得它能夠取得今天舉世矚目的成就。

如今，航天飛機已經(jīng)徹底退役，人類也失去了在太空中維修大型航天器的能力。不過，即便航天飛機再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2點”。畢竟，“哈勃”的工作地點距地球不過500多千米遠，而韋布望遠鏡與地球的距離是它的幾千倍。這是韋布望遠鏡不斷推遲發(fā)射的重要原因——一旦發(fā)射，就再也沒辦法維護了。

所以，對于負責(zé)火箭發(fā)射的歐洲太空局而言，這次發(fā)射的成功毫無疑問算是開了個好頭，發(fā)射團隊緊繃了數(shù)年的神經(jīng)終于可以好好放松一下了。畢竟這個100多億美元的一錘子買賣，背后有著無數(shù)人幾十年的努力。

探索宇宙之路的新一步

韋布望遠鏡是人類最頂級智慧的結(jié)晶。也許很多人會關(guān)注它的經(jīng)費，感慨前沿科學(xué)研究太燒錢了，但是，我們更應(yīng)該認識到，我們?yōu)榍把乜茖W(xué)付費，其實是在為人類上下求索的決心與夢想付費，如此看來，這價格也不能說是昂貴。

未來，韋布望遠鏡會給人類帶來什么？可以預(yù)知的是，它能更容易探尋到宇宙的邊界和誕生之初的奧秘;無法預(yù)測的是，科學(xué)家們將在它的數(shù)據(jù)里獲得何等驚人的發(fā)現(xiàn)。它是人類夢想向宇宙深處的又一次延伸，是人類好奇心與探索精神的承載，是人類在探索世界的路上邁出的新的一步。讓我們祝福它在遠航的路上一切順利，期待它為我們發(fā)現(xiàn)更遠的世界！D2357F07-1EC1-47E7-916D-2212900B0125