兩代空間望遠鏡的糾葛

歷經(jīng)30天的太空漫游，詹姆斯·韋布空間望遠鏡在2022年1月25日凌晨3點終于到達終點：距離地球150萬千米的日地拉格朗日L2點。但還要再經(jīng)過5個月的部署和調(diào)測，它才能開始第一張照片的拍攝。

100億美元的造價，30多年時間的投入，一次次的延期以及預算擴充……諸多傳奇和噱頭集于一身，讓詹姆斯·韋布空間望遠鏡（以下簡稱“韋布”）尚在建造階段，關(guān)注度就足以和它的前輩哈勃空間望遠鏡（以下簡稱“哈勃”）比肩。

韋布的目標之一是觀測星系的形成。圖源NASA

人們對韋布寄以厚望，希望通過它觀測的數(shù)據(jù)研究星系的形成與演化，了解恒星及行星系統(tǒng)的形成，發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)以及生命起源乃至解開宇宙誕生之謎……

如此接近“捧殺”的期待姿態(tài)，背后依據(jù)的大概是造價只有韋布1/8的哈勃所取得的驚人成就：被稱之為“有史以來最重要的天文觀測設備”，給天文學幾乎所有領域都帶來了突破性發(fā)現(xiàn)。

目前哈勃已運行31年，在這段被數(shù)次維修延長的服役生涯中，它對三十多個星系進行距離測量，最終確定了宇宙目前的哈勃常數(shù)（宇宙膨脹的速率是通過哈勃常數(shù)來確定的）大約為73，隨機誤差僅為6%，系統(tǒng)誤差為8%，并參與了對宇宙加速膨脹推測的證實。

137.7億年的演化中，宇宙一直在膨脹。最初是指數(shù)級的爆脹，隨后的幾十億年里，隨著宇宙中物質(zhì)的引力拉動，膨脹速度逐漸減慢。圖源NASA / WMAP團隊

通過哈勃提供的精細圖像，人們研究了數(shù)十個星系團的透鏡成弧現(xiàn)象，在此基礎上，最終證實暗物質(zhì)的總量超過普通物質(zhì)的6倍左右。

而在一項長達15年的觀測項目中，哈勃又發(fā)現(xiàn)，銀河系附近一些普通的星系的核心幾乎都會發(fā)生運動速率突然增大的現(xiàn)象，這間接證實了黑洞的普遍性，推翻了黑洞屬于某個特定星球所有的推斷。

20世紀天文學最具標志性的圖片：“創(chuàng)世之柱”(Pillars of Creation) ，由美國太空總署用哈勃太空望遠鏡拍攝于1995年，照片中的天體為 6500 光年以外的天鷹星云，即“M16星云”。圖源NASA

哈勃提高了人們對韋布的期待值，也同樣是哈勃，為韋布日后所謂“鴿王”的大名埋下了伏筆。

1990年4月24日，哈勃由發(fā)現(xiàn)號航天飛機發(fā)射進入軌道。然而幾周后，哈勃傳回來的第一張圖像卻讓所有人都大跌眼鏡：畫面中的光并沒有聚集在一個膠面上，而是散成了一個個模糊的光暈——哈勃“近視”了？！

原來，哈勃的主鏡片在制作時發(fā)生失誤，導致邊緣部分比理想狀態(tài)差了約1/5根頭發(fā)絲的厚度。但就是這樣一個微小的錯誤，導致了災難般的后果。

消息傳出之后，輿論嘩然。各大公共平臺紛紛譴責NASA，稱NASA花費重金制造了一個“哈勃麻煩”（Hubble Trouble），發(fā)射了一個史上最大的太空垃圾。為了挽回失誤，NASA決定派出人員搶修。

1993年12月，NASA啟動奮進號航天飛機，運送了7位宇航員來到哈勃身邊。5次艱難的太空行走之后，宇航員們?yōu)楣魃狭艘粋€專屬的矯正鏡片，它能與哈勃的鏡片產(chǎn)生相反的作用來矯正視力。

哈勃空間望遠鏡拍攝圖像：左側(cè)為維修前的模糊圖像，右側(cè)是矯正后的圖像。圖源維基百科

哈勃的失誤直接讓NASA推遲了韋布計劃正式提議的時間：1989 年，空間望遠鏡研究所第一次討論哈勃太空望遠鏡（HST）的繼任者（即后來的韋布），一年后討論口徑問題，但直到哈勃帶上矯正鏡片的2年后（1995年），天文學家才正式在國會給韋布報了價——5.64億美金，預計2007年發(fā)送。

這個報價顯然不太誠懇。要知道，他們在1975年首次給哈勃報預算時，給出的數(shù)字就已經(jīng)在4億美元以上了，最后的真實造價更是達到了12億美元。美媒在報道中直言：這是個旨在讓國會參與進來的報價。

后來的發(fā)展證實了媒體們的猜測。

100億美元，值嗎？

從正式立項開始，韋布的投入就一漲再漲，比最初報出的預算飆升了十幾倍，漲幅甚至破了NASA的記錄，一度引起NASA其他被砍預算的部門不滿，也讓美國國會頗有微詞。

2011年，美國眾議院甚至在投票之后決定削減19億經(jīng)費，讓NASA停掉這個項目，最終是在輿論壓力下，才收回決定。

韋布的預算飆升主要有兩個原因：

第一，NASA汲取了哈勃的教訓，增加了調(diào)試的次數(shù)，確保萬無一失。

畢竟，比起哈勃，韋布更是無法承受任何失誤。哈勃距離地球559 千米，出了問題，還能花3年時間送個宇航員去修，而部署在150萬千米高空的韋布，一旦出現(xiàn)故障，宇航員都去不了，只能成為太空垃圾。

頻繁地調(diào)試，就需要一筆不小的開支。

第二，韋布的技術(shù)難度本身就比哈勃高太多。

和哈勃主要觀測可見光不同，韋布主要在紅外波段觀察宇宙。這一方面讓韋布可以通過波長較長的紅外線繞過塵埃，“以更近距離看到萬物起源”，另一方面也將韋布的技術(shù)難度提高了一個數(shù)量級。

韋布主要在紅外波段觀察宇宙，哈勃的觀測波段則集中在光學和紫外，不過兩者的觀測波段也有一定的重合。圖源NASA

在物理學中，凡是高于絕對零度（即-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。為了過濾掉太陽這個特大紅外干擾源，以及來自月球和望遠鏡本身的干擾，韋布需要一個巨大的遮光罩把韋布藏在陰影里，讓它能夠在低溫中暗中觀察。

韋布被送往距地球150萬KM的拉格朗日L2，也是出于過濾絕大部分紅外干擾的原因。在L2，它可以和地球、太陽保持三點一線的結(jié)構(gòu)。圖源NASA

NASA為韋布制作的遮光罩呈菱形，完全展開之后，長徑21m，短徑14m，面積相當于一個網(wǎng)球場。這也是韋布身上最關(guān)鍵、最復雜的組件之一。

遮光罩上下一共5層，前2層摻雜了硅的聚酰亞胺，在重重隔熱和制冷系統(tǒng)作用下，可以在迎光面溫度高達85℃的時候，保證背陰面穩(wěn)定在零下233℃以下，維持望遠鏡的正常工作。

韋布遮光罩，圖源NASA

與此同時，為了觀測到2微米的紅外波段，韋布也被造得特別大，是有史以來送入太空最大的天文空間望遠鏡。主鏡的直徑被擴充到了6.5m，面積是哈勃主鏡的6.25倍。這讓韋布能夠看到比哈勃觀測極限還要暗幾十倍的天體，在80km外看到一個乒乓球更是不在話下。

這樣的鏡面要求也極高：輕便、低溫下不變形、反射性強。最終鏡面選擇了鈹這種金屬，為了更好地反射紅外光，又為它涂上了一層非常薄的金，這讓它足以反射接收到的紅外光的98%。

哈勃與韋布的主鏡面大小對比。圖源NASA

而除了觀測本身對部件的高制作標準，將韋布送到太空的需求，也增加了諸多技術(shù)難題。這么大的遮光板和鏡子不能直接放進火箭里，只能層層折疊后塞進火箭，到了太空中再展開。

其中，遮光罩極其纖薄，5層加起來只有150微米，不到指甲厚度的一半。折疊如此纖薄的網(wǎng)球場尺寸的遮光罩無例可循。

為了將望遠鏡保持在所需工作溫度，韋布需要將遮光罩完美折疊，再在發(fā)射之后將它拉成風箏的形狀，最后將五層很薄的遮陽罩一張張繃緊。期間需要大約7000個零件協(xié)同工作，僅用到的拉伸纜繩就有90種之多。

主鏡則是由18面正六邊形的小鏡拼成的，為了使展開后的主鏡精準對焦，每塊小鏡有一個單獨的微調(diào)系統(tǒng)控制，系統(tǒng)精度需要達到5納米。

18個鏡面，每個都有單獨的控制系統(tǒng)。圖源NASA

展開部署過程中，任何活動都有可能發(fā)生導致整臺望遠鏡報銷的“單點故障”。這種“單點故障”，在韋布身上共有344處。展開部署也因此成了人們最為關(guān)注的流程，youtube上的相關(guān)記錄視頻播放量都高達百萬。

1月9日，為期2周的展開工作結(jié)束時，NASA的工程師們明顯松了口氣，還專門開了個現(xiàn)場直播的新聞發(fā)布會分享這一喜訊。

發(fā)布會的播放量也在60萬以上。

除此之外，隨著韋布發(fā)射計劃被一年年推遲，每當有新的技術(shù)和檢測方法出現(xiàn)時，NASA也會對韋布進行相應優(yōu)化，從鏡面的直徑到NGST 的結(jié)構(gòu)布局均發(fā)生過不止一次改動，直到2012 年，主鏡和支撐結(jié)構(gòu)制造完成，此時口徑才最終確定為 6.5 米。

2014 年開始制造遮光罩，燃料倉、陀螺儀、太陽能電池板等。一年后，韋布的 18 個主鏡與次鏡（副鏡）、支撐桿被安裝在了背板上。

2016 年，韋布的所有部件開始組裝，2019 年所有科學設備集成完畢。

2021 年初，望遠鏡通過了測試，并準備在 2021 年末進行發(fā)射。

期間，韋布的預算也隨之一步步加大，在觀測到黑洞之前，提前成為NASN的“預算黑洞”，順便坐實“鴿王”的稱號：

韋布的鴿王之路 圖源：《太空探索》雜志2022年1月刊

北京時間2021年12月25日20時15分，詹姆斯·韋布太空望遠鏡發(fā)射升空。這讓以為它會再次延期的圍觀群眾大失所望，戲稱這次的準時才是真正意義上的“鴿”。

但發(fā)射成功，不過是邁出了萬里長征第一步。在此之后，除了鏡子和遮光板的展開部署，韋布還需要經(jīng)過三次中途軌道修正：MCC-1a，MC-1b和 MCC-2，才能到達目標軌道。

第一次修正發(fā)生在發(fā)射后第12.5個小時，持續(xù)時間65分鐘；

第二次修正發(fā)生在發(fā)射后第60個小時，持續(xù)時間9分27秒，這次修正讓它越過了月球的軌道；

2022年1月25日，經(jīng)過297秒的推進器工作之后，韋布完成了最后一次軌道修正。

現(xiàn)在，韋布已經(jīng)到達距離地球約150萬公里的日地拉格朗日L2點軌道，圍繞L2點旋轉(zhuǎn)，和太陽、地球一起，保持在一條近乎直線的直線上。

韋布L2運行的軌道半徑，比月球環(huán)繞地球運行的軌道半徑還要大。圖源NASA

接下來的5個月內(nèi)，韋布將進行光學器件校正和科學儀器校準，在第6個月的月末開始真正的科學觀察，憑借其紅外波段的超強探測能力，深入存在于可見光之外的世界，尋找135億多年前，宇宙形成的第一個星系所發(fā)出的第一束光。

韋布成功升空的第4天，NASA曾發(fā)布一則分析，稱歸功于韋布發(fā)射到太空時所在的Ariane 5火箭的精確性，以及第一次和第二次中途修正機動的精確性，韋布運行任務的時間可能會大大持續(xù)，達到該任務的最短預估時間一倍以上。這個時間是多長呢？10年。

根據(jù)NASA的說法，因為L2是偽穩(wěn)定的，所以每隔20天，飛行運營團隊就要根據(jù)飛行動力學團隊提供的軌跡計算重新計算一次，然后發(fā)射推進器，將韋布拉回既定軌道。一旦燃料用盡，韋布將很快失去控制，無法繼續(xù)探測任務。

當然，燃料用盡和部件老化，哪個先到來，還待定。

如果韋布運氣好，運行時間可能會超出10年，但也絕不會創(chuàng)造哈勃那樣的奇跡：預期運行15年，但因為有了航天員的維護，直到31年后的現(xiàn)在，還在為人類持續(xù)探測宇宙。

10年？用掉100億美元，花費30年時間換來的10年？聽起來，簡直有點傻?？墒莾H在未來5年內(nèi)，又將有4架空間望遠鏡被送入太空，在它們背后，也是數(shù)億元以及數(shù)年的投入：

圖源觀察者網(wǎng) 陳藍專欄

而人類第一次的太空探索甚至可以追溯到1942年——二戰(zhàn)期間的德國發(fā)射了世界上第一枚彈道導彈V－2火箭，在工程上實現(xiàn)了航天理論先驅(qū)者們的技術(shù)設想。

80年過去了，為了和宇宙近一些更近一些，人類制造了第一艘載人飛船、第一座空間站，發(fā)射了第一架航天飛機、第一個目標在太陽系之外的飛行探測器，實現(xiàn)了第一次太空行走、第一次太空對接，登上了月球，踏上了火星……

為什么遙遠的星空對我們會有如此大的誘惑力？

當人們從現(xiàn)實角度出發(fā)，用了諸多科技上、市場上的理由去解釋，都無法自圓其說之后——畢竟，在距離地球億萬里之遙的太空上，與人類的投入相比，獲得的回報實在是微乎其微——剩下的答案似乎成為唯一的解釋：

人類傾盡所有，只是為了追尋自己的來處。

正如網(wǎng)友們所說：

我們身體里的鐵，來自璀璨的超新星爆炸血液里的鋅，源自兩次中子星對撞后噴射向宇宙的塵埃那微量的銅，更是需要見證一顆白矮星的死亡即使是最微不足道的鈷，也源自幾十億光年外的星云

某種意義上，我們都是“星辰之子”。

寫在最后

韋布發(fā)射前9個月，通過歐洲南方天文臺“極大望遠鏡”(Very Large Telescope)的8個月觀測以及長達1年的數(shù)據(jù)處理，氫氣光亮絲線構(gòu)成的“宇宙網(wǎng)”首次被發(fā)現(xiàn)，它還原了約120億年前的初期宇宙樣貌。

韋布發(fā)射前6個月，暗能量巡天（DESI）發(fā)表了簡報，他們分析了1億個較遠星系的形狀，通過觀察引力如何擠壓遙遠星系的圖像，繪制了宇宙較近區(qū)域大量暗物質(zhì)的分布三維地圖，誤差只有3%左右。

韋布發(fā)射3個月前，來自日本、西班牙、美國、阿根廷、澳大利亞、智利、法國和意大利的科學家組成的國際研究團隊使用世界上最強大的天文超級計算機ATERUI II，開發(fā)了迄今規(guī)模最大、最詳細的宇宙模擬軟件Uchuu：包含2.1萬億個粒子，跨越96.3億光年的距離，模擬了宇宙從大爆炸到現(xiàn)在整整138億年中物質(zhì)的演化，使科學家能在迄今無法想象的大小和細節(jié)層面上研究宇宙的演化。

韋布發(fā)射7天前，中國錦屏地下實驗室（目前世界上最深的地下實驗室，距地面2400米）公布了最新的核天體物理關(guān)鍵反應數(shù)據(jù)，涵蓋恒星中產(chǎn)生26Al的關(guān)鍵反應 25Mg(p,γ)26Al，AGB星演化中關(guān)鍵問題19F(p,αγ)16O、核天體物理的“圣杯” 12C(α, γ)16O反應，中子源反應13C(α,n)16O反應等，將人類對宇宙元素起源和恒星演化的認知往前推了一步。

……

在空間望遠鏡追尋宇宙誕生之初的那道光時，其他領域也沒有停止對世界本源的探尋，尋找著“我們是誰，我們來自何方？”的終極答案。我們相信，這個問題得到解答的那一天終會到來。

*參考資料：

https://jwst.nasa.gov/

https://www.bilibili.com/video/BV1eL411W73F?spm_id_from=333.999.0.0

https://twitter.com/NASAWebb

https://www.youtube.com/channel/UCLA_DiR1FfKNvjuUpBHmylQ

https://www.chinanews.com.cn/gj/2021/03-19/9435803.shtml

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/6/362956.shtm

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-09/15/content_521987.htm?div=-1

http://ciae.ac.cn/newsContent.jsp?RID=3394

本文來自微信公眾號“品玩”（ID：pinwancool），作者：白寧，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。