连鸽14年的哈勃望远镜“继任者”终于发射了！耗资600亿，能给136亿年前星系拍照...

Posted 2022-01-18 QbitAl

博雯 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

本世纪（乃至上世纪）最贵、最强的鸽王、哈勃望远镜的继任者、韦伯太空望远镜（JWST）在圣诞节成功发射！

“最贵”，是指这一项目截止到目前为止的总成本已经超过100亿美元，是仅次于阿波罗登月、航天飞机、国际空间站和GPS项目的美国/人类第五大航天项目。

“最强”还不仅是指它的能力，而是这个1996年立项，最初计划2007年发射，结果一鸽就是14年的天文望远镜，终于“这次一定”了！

消息一出，不仅无数守着直播的天文爱好者奔走相告，连总统拜登都送上了祝贺：

NASA官宣的评论区最高赞还是我们的老熟人马斯克：

现在，韦伯望远镜已经处在了距地球百万公里之外的轨道之上，将接替哈勃望远镜，继续作为人类的“宇宙之眼”工作。

但这位继任者又不仅仅是哈勃望远镜年迈退休之后的“代替品”。

它走得更远，也将看得更远，最早甚至能将时间“回溯”到宇宙大爆炸的早期，136亿光年之外！

发射直播全程

我们先来回顾一下这次发射直播的全程。

韦伯望远镜长这样，一个20米 × 14米，重6500公斤的庞然大物：

今年10月份时，它被打包塞进了阿丽亚娜-5运载火箭（Ariane 5）火箭的尖端：

10月12日，阿丽亚娜5号火箭抵达法国的圭亚那航天中心 (Guiana Space Centre），将从ELA-3发射台载着望远镜起飞：

12月25日，美国东部时间上午7点20分，韦伯望远镜搭乘着阿丽亚娜5号火箭顺利起飞：

在发射后大约3分25秒时，火箭已接近了望远镜的目标轨道，于是尖端的外壳脱落，韦伯望远镜得以露出并继续运行：

在约8分48秒时，二级火箭脱落：

最终，在发射27分钟后，韦伯望远镜终于完全脱离火箭，开始自主运行：

目标则是距地球150万公里远的2号拉格朗日点：

△L2：2号拉格朗日点

自此，发射已经基本完成，望远镜正以4万公里/小时的速度向最终目的地移动，并在此期间完成一系列的部署任务。

这一过程将耗费两周左右。

而韦伯望远镜这次的主要任务正如文章开头所说，将去探寻宇宙中更远，更早的星系。

这个“更早”是什么意思呢？

光的传播是需要时间的，因此，当用天文望远镜观察上亿光年外的遥远星系时，看到的正是走了上亿年的光，也就是遥远星系上亿年前的样子。

与哈勃望远镜相比，韦伯望远镜观察得更远，足足到了136亿光年之外，而这个距离已经能观察到不少宇宙大爆炸早期的“遗迹”：

△HST：哈勃望远镜

追寻“大爆炸”早期遗迹

为什么韦勃望远镜能一直追溯到大爆炸的早期遗迹？

原因主要有两个，一个是其先天组成结构的“优势”，另一个则是它“飞得更远”。

韦伯望远镜到底什么样？

我们先从韦勃望远镜的组成结构说起。

哈勃望远镜由一个黄色的主镜和下方巨大的遮阳板组成。

其中主镜共由18个六边形铍反射镜组成，每片镜子大约有一张咖啡桌大小。

这18个镜片必须以极高的精度，也就是最多只允许在人类头发丝直径的1/10000的误差范围内进行对齐，最终组装成一个直径6.5米的完整主镜：

它是人类目前最大的太空望远镜，直径6.5米，镜面面积是哈勃望远镜的6倍多。

由于具有更大的镜面，韦伯望远镜的灵敏度将是哈勃望远镜的10到100倍，能够发现天空中更微弱的物体。

此外，镜子上有一层厚度仅头发丝直径的1/200的黄金涂层，能反射红外线。

也就是说，韦伯望远镜设备在电磁波谱空间站的红外光范围内（0.75~数百微米）工作，并拥有一定的可见光范围能力。

而哈勃望远镜则主要在紫外线和可见光的光谱范围内工作。

这种反射波长的差异有什么用呢？

举个例子，宇宙中刚形成的星体常常会隐藏在吸收可见光的尘茧（cocoons of dust）之后，但这些区域发出的红外线可以穿透这层尘土覆盖物，显露出里面的东西。

△左：可见光 右：红外光

而根据爱因斯坦广义相对论，宇宙有一段从热到冷的演化史，在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。

离地球越远物体膨胀的速度更快，所以来自遥远星系天体发出的光就会被膨胀的宇宙“拉长”，也就是说，其原始波长在抵达我们的望远镜时，会从可见光/紫外线转化为红外线。

因此，像韦伯望远镜这样主要观测红外线波长的设备，就比哈勃望远镜能“回溯”到更早的时间。

可以说，韦伯望远镜“看得更远”的一个重要原因，就是主镜的存在。

但同时，另一个面积巨大的仪器的作用同样不容小觑，如果主镜是望远镜的“眼球”，那么它就相当于望远镜的“眼皮”。

没错，就是这样一个长22米、宽12米、可打开会合拢的遮阳板：

由于任何有温度的物体都会散发出红外线，所以“眼球”必须要远离地球、太阳等热源，否则就会难以区分真正来自遥远星系的红外线。

这种时候，遮阳板就要发挥它的作用了。

完全展开后，遮阳板共有300平米，相当于一个网球场，或者半个波音737飞机那么大。

一方面，它将使望远镜免非目标物体的干扰，另一方面，也是在太阳的光和热下保护主镜的光学器件。

运行轨道不同

“飞得更远”，也即其运行轨道的不同。

哈勃望远镜是在距地球570千米的近地轨道上绕地球运转的：

而韦伯望远镜不同，它会在2号拉格朗日点与地球、太阳保持固定位置的同时，绕着太阳运行：

处在L2点就相当于永远在地球的背阳面，被地球遮挡了大部分的太阳辐射，极大减少了来自太阳的红外线影响。

此外，这个点的引力场也相对稳定，而且既可以和地球无间断通信，还没有近地轨道的星际尘埃和太空垃圾，观测位置和视野较好。

而这正是韦伯望远镜的最终目的地选在2号拉格朗日点的原因。

来到L2点后，韦伯望远镜的遮阳板就会慢慢张开五层防护罩，挡住来自太阳和地球的剩余红外线。

这一代“宇宙之眼”，也就正式开始了工作。

并非哈勃望远镜的“替代品”

长久以来，很多人都会认为是1990年发射的哈勃望远镜已经年迈，所以才需要韦伯望远镜这一“继任者”来继续当人类的“宇宙之眼”。

这种认知不无道理，毕竟哈勃望远镜自1990年发射以来，已经经历过五次较大的维护，周身多个仪器经都经历过维修和更换。

此外，随着时间的推移，哈勃望远镜的轨道也在因为阻力而逐渐衰减，也就是说，如果不加速，哈勃望远镜将在几十年内重新落回地球大气层，被迫退休。

但其实，从上面的叙述中我们也能知道，两架望远镜在能力上各有不同，因此，并不能完全将韦伯望远镜当作是填补哈勃望远镜退役之后空缺的一个“替代品”。

事实上，这次成功发射之后，两架望远镜至少还要在太空中共事几年。

“发射？下次一定”

而这次发射的成功也并非只是科研层面的重大意义，其背后的故事堪称是天文学史上最令人揪心的“拖更”。

看看它的发射履历你就懂了：

1996年立项，最初预计2007年发射，但一鸽14年（鸽过了一个世纪），期间发射日期更改不下16次，属实是鸽王之王。

以至于“今天JWST发射了吗”已经发展成一个网络梗。

连科技媒体也开始调侃：韦伯望远镜一定能在本世纪前发射。

其实，JWST这个概念最早起源于1996年，由一个预估耗资5亿美元，名为下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope）的提案演变而成。

这一提案的主要内容是研究初生宇宙中的星系诞生，并寻找其他恒星周围的行星。

在1997年到1999年间，NASA相继与美国各航天局、德黑兰天文台、洛克希德·马丁等机构进行了合作。

2002年，这一项目被重新命名为James Webb Space Telescope，取自在阿波罗计划期间担任NASA第二任局长James E. Webb的名字。

同年，NASA也正式就这一项目与ESA（欧洲航天局）和CSA*（加拿大航天局）开展了合作。

直到2008年之前，JWST都可以算作初期研发阶段，到2008年3月份，项目成功通过了初步设计审查（PDR），正式确认开工。

但实际上，JWST在早期开发中就出现了严重的成本超支，望远镜一开始预估耗资16亿美元，但到2008年完成PDR时，实际已投入了50亿美元。

额外的资金投入自然使得项目整体进度一拖再拖。

2010年，韦伯望远镜通过了任务关键设计评审（MCDR），也就是说，目前的设计已经能够满足其任务的所有科学和工程要求。

但由于其过高的成本投入和屡次拖延的进度，这一项目被要求进行独立评审，当年的Nature还发表过一篇将JWST描述为《吞噬天文学的望远镜》的文章：

到了2011年，JWST终于进入了最终的设计和制造阶段（CDR）。

这一年，JWST项目还差点被美国众议院以“超支太多”为由直接取消，最终因为美国天文学会和多家国际媒体的声援而作罢，并将资金上限设置到了80亿美元。

到2016年，韦伯望远镜的最终建造终于完成，开始走测试流程。

这下鸽的花样就逐年增多：

2018年3月份：由于望远镜的遮阳板意外撕裂和一部分电缆上的问题，一年前宣布的“2019年发射”被改到了2020年5月。

同年6月份：经独立审查委员会的评估，哈勃望远镜存在300多个潜在故障。因此发射时间再次被推迟到了2021年3月份。

2019年8月份：最初预计在2007年完成的机械集成工作终于完成了，NASA兴奋地表示“下一次这一结构展开的日子，就是韦伯望远镜在太空中凝视宇宙之时”。

结果到了2019年末，疫情来了。

还能怎么呢，只能继续下次一定了。

2021年年初：发射时间被推迟到了2021年的10月31日。

在这一年的3月份，韦伯望远镜还被舆论要求改名，理由是其名称来源的James Webb被指控“曾参与过对LGBTQ群体的迫害”，不过这一决定后来被NASA驳回。

进入2021年下半年后，鸽的技巧就更细腻了。

9月8日：发射时间被改为了12月18日。

11月23日：一个将望远镜固定在火箭上的“带夹钳的意外松开”又引起了整个天文台的振荡，因此发射日期被修改描述为“不早于12月22日”。

12月15日：望远镜和火箭之间出现了通讯问题，发射日期推迟为“不早于12月24日”。

12月18日：确定在美国东部时间12月24日，上午6点30分发射！

两天后，又推迟了一小时，改成了7点20分：

12月22日，由于天气原因，发射日期再次推迟到12月25日：

而这次终于没再鸽了，韦伯望远镜终于成功进入了宇宙之中。

未来这一代“宇宙之眼”又将为人类看到哪些新的宇宙奇观，我们拭目以待。

参考链接：
[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/