連鴿14年的哈勃望遠(yuǎn)鏡“繼任者”終于發(fā)射了！耗資600億，能給136億年前星系拍照

博雯 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

本世紀(jì)（乃至上世紀(jì)）最貴、最強(qiáng)的鴿王、哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者、韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）在圣誕節(jié)成功發(fā)射！

“最貴”，是指這一項(xiàng)目截止到目前為止的總成本已經(jīng)超過(guò)100億美元，是僅次于阿波羅登月、航天飛機(jī)、國(guó)際空間站和GPS項(xiàng)目的美國(guó)/人類第五大航天項(xiàng)目。

“最強(qiáng)”還不僅是指它的能力，而是這個(gè)1996年立項(xiàng)，最初計(jì)劃2007年發(fā)射，結(jié)果一鴿就是14年的天文望遠(yuǎn)鏡，終于“這次一定”了！

消息一出，不僅無(wú)數(shù)守著直播的天文愛(ài)好者奔走相告，連總統(tǒng)拜登都送上了祝賀：

NASA官宣的評(píng)論區(qū)最高贊還是我們的老熟人馬斯克：

現(xiàn)在，韋伯望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)處在了距地球百萬(wàn)公里之外的軌道之上，將接替哈勃望遠(yuǎn)鏡，繼續(xù)作為人類的“宇宙之眼”工作。

但這位繼任者又不僅僅是哈勃望遠(yuǎn)鏡年邁退休之后的“代替品”。

它走得更遠(yuǎn)，也將看得更遠(yuǎn)，最早甚至能將時(shí)間“回溯”到宇宙大爆炸的早期，136億光年之外！

發(fā)射直播全程

我們先來(lái)回顧一下這次發(fā)射直播的全程。

韋伯望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)這樣，一個(gè)20米 × 14米，重6500公斤的龐然大物：

今年10月份時(shí)，它被打包塞進(jìn)了阿麗亞娜-5運(yùn)載火箭（Ariane 5）火箭的尖端：

10月12日，阿麗亞娜5號(hào)火箭抵達(dá)法國(guó)的圭亞那航天中心?(Guiana Space Centre），將從ELA-3發(fā)射臺(tái)載著望遠(yuǎn)鏡起飛：

12月25日，美國(guó)東部時(shí)間上午7點(diǎn)20分，韋伯望遠(yuǎn)鏡搭乘著阿麗亞娜5號(hào)火箭順利起飛：

在發(fā)射后大約3分25秒時(shí)，火箭已接近了望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)軌道，于是尖端的外殼脫落，韋伯望遠(yuǎn)鏡得以露出并繼續(xù)運(yùn)行：

在約8分48秒時(shí)，二級(jí)火箭脫落：

最終，在發(fā)射27分鐘后，韋伯望遠(yuǎn)鏡終于完全脫離火箭，開(kāi)始自主運(yùn)行：

目標(biāo)則是距地球150萬(wàn)公里遠(yuǎn)的2號(hào)拉格朗日點(diǎn)：

自此，發(fā)射已經(jīng)基本完成，望遠(yuǎn)鏡正以4萬(wàn)公里/小時(shí)的速度向最終目的地移動(dòng)，并在抵達(dá)目的地之后完成一系列的部署任務(wù)。

這一過(guò)程將耗費(fèi)兩周左右。

而韋伯望遠(yuǎn)鏡這次的主要任務(wù)正如文章開(kāi)頭所說(shuō)，將去探尋宇宙中更遠(yuǎn)，更早的星系。

這個(gè)“更早”是什么意思呢？

光的傳播是需要時(shí)間的，因此，當(dāng)用天文望遠(yuǎn)鏡觀察上億光年外的遙遠(yuǎn)星系時(shí)，看到的正是走了上億年的光，也就是遙遠(yuǎn)星系上億年前的樣子。

與哈勃望遠(yuǎn)鏡相比，韋伯望遠(yuǎn)鏡觀察得更遠(yuǎn)，足足到了136億光年之外，而這個(gè)距離已經(jīng)能觀察到不少宇宙大爆炸早期的“遺跡”：

追尋“大爆炸”早期遺跡

為什么韋伯望遠(yuǎn)鏡能一直追溯到大爆炸的早期遺跡？

原因主要有兩個(gè)，一個(gè)是其先天組成結(jié)構(gòu)的“優(yōu)勢(shì)”，另一個(gè)則是它“飛得更遠(yuǎn)”。

韋伯望遠(yuǎn)鏡到底什么樣？

我們先從韋伯望遠(yuǎn)鏡的組成結(jié)構(gòu)說(shuō)起。

韋伯望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)黃色的主鏡和下方巨大的遮陽(yáng)板組成。

其中主鏡共由18個(gè)六邊形鈹反射鏡組成，每片鏡子大約有一張咖啡桌大小。

這18個(gè)鏡片必須以極高的精度，也就是最多只允許在人類頭發(fā)絲直徑的1/10000的誤差范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)齊，最終組裝成一個(gè)直徑6.5米的完整主鏡：

它是人類目前最大的太空望遠(yuǎn)鏡，直徑6.5米，鏡面面積是哈勃望遠(yuǎn)鏡的6倍多。

由于具有更大的鏡面，韋伯望遠(yuǎn)鏡的靈敏度將是哈勃望遠(yuǎn)鏡的10到100倍，能夠發(fā)現(xiàn)天空中更微弱的物體。

此外，鏡子上有一層厚度僅頭發(fā)絲直徑的1/200的黃金涂層，能反射紅外線。

也就是說(shuō)，韋伯望遠(yuǎn)鏡設(shè)備在電磁波譜空間站的紅外光范圍內(nèi)（0.75~數(shù)百微米）工作，并擁有一定的可見(jiàn)光范圍能力。

而哈勃望遠(yuǎn)鏡則主要在紫外線和可見(jiàn)光的光譜范圍內(nèi)工作。

這種反射波長(zhǎng)的差異有什么用呢？

舉個(gè)例子，宇宙中剛形成的星體常常會(huì)隱藏在吸收可見(jiàn)光的塵繭（cocoons of dust）之后，但這些區(qū)域發(fā)出的紅外線可以穿透這層塵土覆蓋物，顯露出里面的東西。

而根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，宇宙有一段從熱到冷的演化史，在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，如同一次規(guī)模巨大的爆炸。

離地球越遠(yuǎn)物體膨脹的速度更快，所以來(lái)自遙遠(yuǎn)星系天體發(fā)出的光就會(huì)被膨脹的宇宙“拉長(zhǎng)”，也就是說(shuō)，其原始波長(zhǎng)在抵達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡時(shí)，會(huì)從可見(jiàn)光/紫外線轉(zhuǎn)化為紅外線。

因此，像韋伯望遠(yuǎn)鏡這樣主要觀測(cè)紅外線波長(zhǎng)的設(shè)備，就比哈勃望遠(yuǎn)鏡能“回溯”到更早的時(shí)間。

可以說(shuō)，韋伯望遠(yuǎn)鏡“看得更遠(yuǎn)”的一個(gè)重要原因，就是主鏡的存在。

但同時(shí)，另一個(gè)面積巨大的儀器的作用同樣不容小覷，如果主鏡是望遠(yuǎn)鏡的“眼球”，那么它就相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡的“眼皮”。

沒(méi)錯(cuò)，就是這樣一個(gè)長(zhǎng)22米、寬12米、可打開(kāi)會(huì)合攏的遮陽(yáng)板：

由于任何有溫度的物體都會(huì)散發(fā)出紅外線，所以“眼球”必須要遠(yuǎn)離地球、太陽(yáng)等熱源，否則就會(huì)難以區(qū)分真正來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的紅外線。

這種時(shí)候，遮陽(yáng)板就要發(fā)揮它的作用了。

完全展開(kāi)后，遮陽(yáng)板共有300平米，相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)，或者半個(gè)波音737飛機(jī)那么大。

一方面，它將使望遠(yuǎn)鏡免非目標(biāo)物體的干擾，另一方面，也是在太陽(yáng)的光和熱下保護(hù)主鏡的光學(xué)器件。

運(yùn)行軌道不同

“飛得更遠(yuǎn)”，也即其運(yùn)行軌道的不同。

哈勃望遠(yuǎn)鏡是在距地球570千米的近地軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的：

而韋伯望遠(yuǎn)鏡不同，它會(huì)在2號(hào)拉格朗日點(diǎn)與地球、太陽(yáng)保持固定位置的同時(shí)，繞著太陽(yáng)運(yùn)行：

處在L2點(diǎn)就相當(dāng)于永遠(yuǎn)在地球的背陽(yáng)面，被地球遮擋了大部分的太陽(yáng)輻射，極大減少了來(lái)自太陽(yáng)的紅外線影響。

此外，這個(gè)點(diǎn)的引力場(chǎng)也相對(duì)穩(wěn)定，而且既可以和地球無(wú)間斷通信，還沒(méi)有近地軌道的星際塵埃和太空垃圾，觀測(cè)位置和視野較好。

而這正是韋伯望遠(yuǎn)鏡的最終目的地選在2號(hào)拉格朗日點(diǎn)的原因。

來(lái)到L2點(diǎn)后，韋伯望遠(yuǎn)鏡的遮陽(yáng)板就會(huì)慢慢張開(kāi)五層防護(hù)罩，擋住來(lái)自太陽(yáng)和地球的剩余紅外線。

這一代“宇宙之眼”，也就正式開(kāi)始了工作。

并非哈勃望遠(yuǎn)鏡的“替代品”

長(zhǎng)久以來(lái)，很多人都會(huì)認(rèn)為是1990年發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)年邁，所以才需要韋伯望遠(yuǎn)鏡這一“繼任者”來(lái)繼續(xù)當(dāng)人類的“宇宙之眼”。

這種認(rèn)知不無(wú)道理，畢竟哈勃望遠(yuǎn)鏡自1990年發(fā)射以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)五次較大的維護(hù)，周身多個(gè)儀器經(jīng)都經(jīng)歷過(guò)維修和更換。

此外，隨著時(shí)間的推移，哈勃望遠(yuǎn)鏡的軌道也在因?yàn)樽枇Χ饾u衰減，也就是說(shuō)，如果不加速，哈勃望遠(yuǎn)鏡將在幾十年內(nèi)重新落回地球大氣層，被迫退休。

但其實(shí)，從上面的敘述中我們也能知道，兩架望遠(yuǎn)鏡在能力上各有不同，因此，并不能完全將韋伯望遠(yuǎn)鏡當(dāng)作是填補(bǔ)哈勃望遠(yuǎn)鏡退役之后空缺的一個(gè)“替代品”。

事實(shí)上，這次成功發(fā)射之后，兩架望遠(yuǎn)鏡至少還要在太空中共事幾年。

“發(fā)射？下次一定”

而這次發(fā)射的成功也并非只是科研層面的重大意義，其背后的故事堪稱是天文學(xué)史上最令人揪心的“拖更”。

看看它的發(fā)射履歷你就懂了：

1996年立項(xiàng)，最初預(yù)計(jì)2007年發(fā)射，但一鴿14年（鴿過(guò)了一個(gè)世紀(jì)），期間發(fā)射日期更改不下16次，屬實(shí)是鴿王之王。

以至于“今天JWST發(fā)射了嗎”已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)梗。

連科技媒體也開(kāi)始調(diào)侃：韋伯望遠(yuǎn)鏡一定能在本世紀(jì)前發(fā)射。

其實(shí)，JWST這個(gè)概念最早起源于1996年，由一個(gè)預(yù)估耗資5億美元，名為下一代空間望遠(yuǎn)鏡（Next Generation Space Telescope）的提案演變而成。

這一提案的主要內(nèi)容是研究初生宇宙中的星系誕生，并尋找其他恒星周圍的行星。

在1997年到1999年間，NASA相繼與美國(guó)各航天局、德黑蘭天文臺(tái)、洛克希德·馬丁等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作。

2002年，這一項(xiàng)目被重新命名為James Webb Space Telescope，取自在阿波羅計(jì)劃期間擔(dān)任NASA第二任局長(zhǎng)James E. Webb的名字。

同年，NASA也正式就這一項(xiàng)目與ESA（歐洲航天局）和CSA*（加拿大航天局）開(kāi)展了合作。

直到2008年之前，JWST都可以算作初期研發(fā)階段，到2008年3月份，項(xiàng)目成功通過(guò)了初步設(shè)計(jì)審查（PDR），正式確認(rèn)開(kāi)工。

但實(shí)際上，JWST在早期開(kāi)發(fā)中就出現(xiàn)了嚴(yán)重的成本超支，望遠(yuǎn)鏡一開(kāi)始預(yù)估耗資16億美元，但到2008年完成PDR時(shí)，實(shí)際已投入了50億美元。

額外的資金投入自然使得項(xiàng)目整體進(jìn)度一拖再拖。

2010年，韋伯望遠(yuǎn)鏡通過(guò)了任務(wù)關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審（MCDR），也就是說(shuō)，目前的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠滿足其任務(wù)的所有科學(xué)和工程要求。

但由于其過(guò)高的成本投入和屢次拖延的進(jìn)度，這一項(xiàng)目被要求進(jìn)行獨(dú)立評(píng)審，當(dāng)年的Nature還發(fā)表過(guò)一篇將JWST描述為《吞噬天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡》的文章：

到了2011年，JWST終于進(jìn)入了最終的設(shè)計(jì)和制造階段（CDR）。

這一年，JWST項(xiàng)目還差點(diǎn)被美國(guó)眾議院以“超支太多”為由直接取消，最終因?yàn)槊绹?guó)天文學(xué)會(huì)和多家國(guó)際媒體的聲援而作罷，并將資金上限設(shè)置到了80億美元。

到2016年，韋伯望遠(yuǎn)鏡的最終建造終于完成，開(kāi)始走測(cè)試流程。

這下鴿的花樣就逐年增多：

2018年3月份：由于望遠(yuǎn)鏡的遮陽(yáng)板意外撕裂和一部分電纜上的問(wèn)題，一年前宣布的“2019年發(fā)射”被改到了2020年5月。

同年6月份：經(jīng)獨(dú)立審查委員會(huì)的評(píng)估，哈勃望遠(yuǎn)鏡存在300多個(gè)潛在故障。因此發(fā)射時(shí)間再次被推遲到了2021年3月份。

2019年8月份：最初預(yù)計(jì)在2007年完成的機(jī)械集成工作終于完成了，NASA興奮地表示“下一次這一結(jié)構(gòu)展開(kāi)的日子，就是韋伯望遠(yuǎn)鏡在太空中凝視宇宙之時(shí)”。

結(jié)果到了2019年末，疫情來(lái)了。

還能怎么呢，只能繼續(xù)下次一定了。

2021年年初：發(fā)射時(shí)間被推遲到了2021年的10月31日。

11月23日：一個(gè)將望遠(yuǎn)鏡固定在火箭上的“帶夾鉗的意外松開(kāi)”又引起了整個(gè)天文臺(tái)的振蕩，因此發(fā)射日期被修改描述為“不早于12月22日”。

進(jìn)入2021年下半年后，鴿的技巧就更細(xì)膩了。

9月8日：發(fā)射時(shí)間被改為了12月18日。

11月23日：一個(gè)將望遠(yuǎn)鏡固定在火箭上的“帶夾鉗的意外松開(kāi)”又引起了整個(gè)天文臺(tái)的振蕩，因此發(fā)射日期被修改描述為“不早于12月22日”。

12月15日：望遠(yuǎn)鏡和火箭之間出現(xiàn)了通訊問(wèn)題，發(fā)射日期推遲為“不早于12月24日”。

12月18日：確定在美國(guó)東部時(shí)間12月24日，上午6點(diǎn)30分發(fā)射！

兩天后，又推遲了一小時(shí)，改成了7點(diǎn)20分：

12月22日，由于天氣原因，發(fā)射日期再次推遲到12月25日：

而這次終于沒(méi)再鴿了，韋伯望遠(yuǎn)鏡終于成功進(jìn)入了宇宙之中。

未來(lái)這一代“宇宙之眼”又將為人類看到哪些新的宇宙奇觀，我們拭目以待。

參考鏈接：
[1]https://www.jwst.nasa.gov/content/about/comparisonWebbVsHubble.html
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope#Time,_budget
[3]https://spacenews.com/jwst-launch-rescheduled-for-dec-24/
[4]https://everydayastronaut.com/james-webb-space-telescope-ariane-5-eca/