韦伯太空望远镜的构造有多精妙？
文|经纬创投
今晚8点20分，一份绝佳的圣诞礼物正在发送给全球的航天爱好者们——有史以来人类建造的最伟大的太空望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）被折叠阿丽亚娜5号火箭的尖端，从南美洲北部的法属圭亚那的库鲁航天中心发射，正式开启探索宇宙起源奥秘和系外行星的使命。
作为迄今为止规模最大、最复杂、最具挑战性的太空望远镜，韦伯望远镜可以说是人类制造史上最复杂的物体之一，而被科学家们给予厚望，被视为与阿波罗计划、国际空间站、哈勃望远镜同等重要的科研任务。正因为其重要性，它耗资百亿美金、“鸽”了十余年之久。
31年前，哈勃太空望远镜从美国肯尼迪航天中心发射，此后不断将浩瀚的宇宙图景传回地球，从根本上改变着我们对宇宙的认知。而韦伯太空望远镜则被视为哈勃太空望远镜的完美“继任者”。它的主镜由18块镀金的铍片组成，直径几乎是哈勃主镜的三倍，并能够用红外线观测宇宙，弥补了哈勃的不足。
它可以回溯时间，去观测宇宙大爆炸后形成的第一个星系，去看围绕着恒星运转的行星之上的大气。它将采用最先进科技来解答人们对宇宙最根本的问题，带我们去看宇宙的美丽和神秘，了解我们在宇宙中是怎样的存在。
据NASA称，韦伯太空望远镜将会是“吞噬天文学的望远镜”，或将引导我们进入一个全新的天文学时代，回答我们没想象过要问的问题。那么，韦伯望远镜“鸽”了这么多年有何原因？研制和发射过程中有多困难？对人类的空间探索历史有何意义？以下，Enjoy：
韦伯太空望远镜的研制和发射过程可谓命途多舛，也因此在被誉为天文学领域的“鸽王之王”，吊足了每位科研人员与天文爱好者的胃口。
为寻找哈勃太空望远镜结束观测后的“继任者”，从1996年开始，NASA就邀请各大公司来参与投标这种复杂的“下一代太空望远镜”研制。经过激烈角逐，TRW公司于2002年获得了NASA授予的8.25亿美元的合同，建造韦伯太空望远镜，这台跨时代超级空间观测设备的研制就此正式启动。
之所以命名为韦伯太空望远镜，是为了纪念NASA第二任局长詹姆斯·埃德温·韦伯（Edwin Webb），他曾领导美国阿波罗登月计划取得了卓越的成就。
根据最初设想，韦伯望远镜的发射时间在2007年，但随即就被推迟了。哈勃望远镜计划于2010年被航天飞机带回地面，“继任者”韦伯望远镜的发射时间也被定在2010年左右。但后来由于TRW公司被收购、项目超支、新冠疫情等种种因素，韦伯望远镜的发射时间也从2007年，到2010年，再到2018、2020年，一拖再拖到今年。
作为美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局的联合项目，韦伯太空望远镜在发射前经历了一段辗转多地的超长途旅程——它的组装于2013年在马里兰州开始，2017年又到得克萨斯州继续进行低温测试，2018年起则被运送到NASA的戈达德太空飞行中心。直到今年9月24日，它被运送到港口，经过16天、9300公里的海洋之旅到达法属圭亚那的发射中心。
即使在发射前夕，韦伯太空望远镜依旧将“鸽王本色”发扬到底。11月22日，NASA发布消息称，由于在与运载火箭的连接过程中有一条夹带意外松开，导致整个望远镜产生了震动，原定于12月18日的发射时间被再度推迟到12月22日。
NASA最后确定韦伯浪漫的发射时间为圣诞节20点20分（北京时间），作为一份圣诞礼物送给所有为这个项目付出过的科学家和全球的天文爱好者们。
由于韦伯望远镜的项目周期过长，参与人数众多，美国科学界甚至还流传着一种说法——“每个科学界的人都应该至少有一位亲戚朋友参加过这个项目”。某种程度上，这个项目的重要程度可谓当今“阿波罗计划”。
对于这项史上难度最大的太空望远镜项目而言，“一鸽再鸽”也直接导致了该项目的研发费用不断飙升。2011年，该项目甚至还因造价高昂，差点被国会投票取消。到2018年，NASA已在此项目上花费了73亿美元，即将达到美国国会的80亿美元预算上限，美国国会还因此组建了独立调查委员会（IRB）以监督整个项目的进展。
尽管如此，至今该项目已耗资超过100亿美元，其中NASA承担了约97亿美元的费用。而欧洲航天局为韦伯提供仪器硬件和运载火箭，加拿大为天文台建造了精密的制导传感器和摄谱仪。
尽管困难重重，但去遥远太空发射望远镜的优势却不可取代。首先，太空望远镜不受大气窗口的限制，而在地球上，丰富的大气层会完全阻止伽马射线、X射线和紫外波段的电磁波通过。其次，太空中没有光污染，也不受天气变化的影响。另外，太空望远镜可以不受日夜交替的干扰，有效观测时间得到大幅提升，有助于天文学家开展更多研究。
与哈勃望远镜相比，韦伯望远镜具有两大特点：
其一是巨大的体积，直径21.3英尺的主镜使其成为人类历史上看得最远的望远镜。
普通人与哈勃、韦伯的主镜大小对比
其二是强大的红外线观测功能，韦伯望远镜将是太空中唯一一台可以进行远距离观测的红外线望远镜，能够看到更多过去观测不到之处，成为我们“全新的眼睛”。
韦伯太空望远镜的外形与我们想象的望远镜完全不同，既不像当年伽利略用过的那款，也不像哈勃望远镜。它有着巨大的六边形主镜，由18块小六边形组成，用来收集来自遥远星系的光。
主要的光学结构采用了“三反射镜消像散系统（Three-mirror anastigmat）”，光在到达拍摄的传感器前会经过三次反射，每次反射都有特定的目的。
第一块主镜需要足够大，像水桶一样把来自宇宙的尽可能多的光收集起来并汇聚到一块很小的二级镜面上。所有的光会经过三级镜面的反射到最后的微调镜上。这块微调镜会补偿航天器移动带来的误差，其功能可以理解为相机的稳定器。经过这一系列光学组件后，光就到了最后成像之处了↓
图源: Smarter Every Day
韦伯望远镜的4块镜面
其中，由18块小镜子组成的主镜为最难建造的部分，需要在望远镜被发射到太空之后才能调整到正确的位置。主镜选用铍来制造，比钢强六倍，但只有铝的三分之一密度，轻且坚硬，在低温下也不会变形。每块小六边形镜面都轻到可以用手就提起来。但铍又无法很好地反射光线，所以又将镜子涂上了金。
镜面的后面是设备组件，里面有相机和光谱仪，研发团队为此投入了非常多的心血。科学家们使用了两种重要材料——碲镉汞、掺砷硅，让检测器有了更高的灵敏度，可覆盖频段从0.6到28微米。而光谱仪能够探测到星光中的各种颜色的分量。
整个望远镜最吸睛的部分是巨大的“遮阳罩”，它由五层镀有金属的塑料膜组成，面积约为8900平方英尺，相当于三五个网球场的大小。在它的反射下，当太阳光照过来时，只有极少数的热量会渗透过来，保障望远镜能在持续低温的稳定状态下工作。
望远镜必须非常冷，要在-400华氏度（-240摄氏度）下运行，以防止其自身发出的红外线对观测造成影响。在遥远的太空，要维持望远镜的长期工作，液态冷却剂、制冷机都不可能实现这一点，只能靠这块巨大的“遮阳罩”为望远镜营造出持续的夜晚环境。
这就像给望远镜涂了120万SPF的防晒霜，遮阳板一侧是200华氏度，另一侧是-400华氏度。在较为稳定的低温环境下，太空望远镜才能正式开始工作。
遮阳罩这一侧有元件舱、供电部分、发动机、燃料罐、无线电收发装置和计算机等基础零部件，以及固定航天器姿态的动量轮。控制几个不同方向的动量轮旋转的加速减速，就能把来自太阳的角动量传递给整个望远镜，组合起来最终能够精确控制整个航天器的指向。
在轨道的选取上，科学家也充分考虑到了天体的热量，因此选择了第二拉格朗日点晕轨道——这是唯一能只用单侧遮阳罩就可阻挡来自太阳等天体热量的轨道。
根据天体力学解释，任何“双星系统”都有五个拉格朗日点。除了两个点之外，另三个的拉格朗日点不很稳定，位于其他拉格朗日点上的小天体，稍受扰动就会离开它位置。由于韦伯望远镜还会被地球月球反射的热量所影响，所以第二拉格朗日点（下图的L2）是最理想的位置。
届时，韦伯望远镜（JWST）将会绕着第二拉格朗日点（L2点）公转，并依靠太阳能为观测平台供电。
为了将韦伯望远镜成功发射到指定位置，几乎所有的部件都要折叠起来，同时还要能在正确的时间在外太空展开。尽管直到最后一刻都无法保障万无一失，但科学家们依旧为此做出了一切能够做的准备。
首先，所有能够备份的零件都制造了两份，以便坏了随时替换。其次，在制造过程中该项目要进行无数次测试，包括破坏性测试和非破坏性测试，例如，所有的零部件都需要经过真空测试。同时，还要应对来自同行的审查小组的检查。
为了避免阿丽亚娜火箭发射过程对望远镜的损害，还要进行反复的振动测试和噪音测试。
近二十年来，数百亿美金、万名工作人员的努力倾注于这台伟大的太空望远镜。一旦发射，留给韦伯的机会只有一次。
据工程师介绍，韦伯望远镜上有300个独立故障点，都必须正常无误地进行工作。在距离地球上百万英里的外太空，就算出现故障也不可能派人上去维修。
任何去太空的物体，都离不开火箭的运输。负责执行此次发射任务的是欧洲航天局的阿丽亚娜5号火箭，这是目前世界上最强大的火箭之一。
为满足直径只有5.4米的整流罩的大小，巨大的韦伯望远镜必须像“折纸”一样被折叠放入整流罩。
而如何在太空中展开，则是这项任务中更具挑战的部分。
在火箭发射的8分钟轰鸣声中，韦伯望远镜将进入太空，接受着剧烈的震荡与摇晃考验。一旦进入太空，便无人可以修理。
进入太空后，韦伯望远镜需要用至少两周的时间来完成全部部署。发射后的两周为一个关键时间点。完成韦伯太空望远镜的部署约有50个步骤，178个释放机械，它们其中的任意一个都必须要正常工作。
展开韦伯望远镜是航天科学家们做过的最复杂的航天器动作。如果成功，韦伯将是推动工程学进入新领域的完美案例。
发射后不久，韦伯望远镜的太阳能电池板将被展开用以供电。约2小时后，韦伯望远镜将打开高增益天线用于通讯。约12小时后，有一个重要的引擎点火，将韦伯送上正确轨道，飞向目的轨道。2.7天后，韦伯望远镜将放下遮阳板托板，然后升起主镜和仪器，使其远离遮阳板。
韦伯望远镜的庞大遮阳板组件上有140个释放机构，约70个铰链组件，8个部署电机，大量的轴承、弹簧和齿轮，约400个滑轮，以及总长1312英尺的90条电缆。
首先，会松开韦伯遮阳板的保护层。然后，释放核心区的保护层。最关键的是，所有107个遮阳板的释放装置都必须按顺序开启，放开五层遮阳板使其沿中轴线展开。
随着遮阳板的完全展开，韦伯望远镜开始设置光学元件。先是把副镜展开并锁定到位，然后打开背后一个特殊的防辐射器以进一步降低科学仪器的温度。最后，打开主镜侧翼并将其锁定到位。
到这一步，大概已经是韦伯望远镜发射的第29天了，但一切还没完成。
未来，科学家们还将通过精细的调整布局，形成一个完美的太空望远镜，开启宇宙探索之旅。幸运的话，我们将在六个月后看到由韦伯传来的第一批图像。
哈勃太空望远镜的成功运行，从很多角度上彻底改变了我们对太空的了解，但已经在太空飞了31年的哈勃望远镜亦存在着许多作为光学仪器的局限性，并且其精确度和灵敏度也难以满足我们对太空的进一步探索要求。
而韦伯太空望远镜一旦能够成功启用，将会是史无前例的宇宙“时光机”，带我们看到大约70亿-130亿年前的宇宙样貌，几乎在“宇宙大爆炸”的同期。
该项目的科研负责人约翰·马瑟（John Mather）曾在采访中介绍过韦伯望远镜的四大主要目标：
首先，它将尝试观测“大爆炸”后出现的第一批天体，例如星系、黑洞和超新星；其次，它将观测星系是如何随着时间推移而成长的，那可能是经过了许多小型天体的聚拢和融合；第三，它将观测恒星和行星系统是如何在气体尘埃云内部形成的；最后，它将观测其他恒星周围的行星以及我们身处的太阳系本身，以了解这些天体系统随着时间推移是如何成长和变化的，并帮助了解地球是如何具备存在生命的条件的。
之所以称太空望远镜为“时光机”，是因为当我们观察到遥远的星系时，并非是其最近的状态。以光年为单位的距离，是从该星系发出的光到达地球所需要的年数。例如，当一个物体离地球为一万光年，那么光到达地球就需要一万年。天文学家凝视的空间越远，观察到的时间就越久远。
目前已知，离我们最近的星系是大犬座矮星系，距离我们2.5万光年，这意味着我们看到的大犬星座其实是它在2.5万年前的样子。韦伯可以定位人类发现的看起来最年轻的星系。为了理解星系的形成，科学家们将研究多个处于不同成长阶段的星系，并拼凑出它们的进化时间线。
与哈勃相比，韦伯望远镜有15倍大的视场，能够捕获6倍多的光。由于不断膨胀的宇宙会把来自遥远星系的光散发出去，当光到达我们的望远镜时，它的原始波长将从可见或紫外变成红外，发生所谓的“红移”现象。
红外线是探索宇宙远古历史的强大工具，而捕捉红外信号正是韦伯的专长，这将使我们了解宇宙的黑暗时代和早期信息是如何形成的。
在过去太空望远镜的基础上，韦伯将会在深入太空和回望太空方面有更多突破，可以观察到处在成长中的遥远星系。
自人类1992年首次发现系外行星以来，科学家们已经发现了数千星系，但我们对其的了解仅停留在“有存在”的了解阶段。地球上的望远镜由于受到地球大气影响，很难收到来自深空的微弱信号。哈勃望远镜也很难做到红外光谱分析。
而韦伯望远镜，将在研究系外星系的大气层过程中扮演重要角色，将会是第一个探测最遥远星系生命的望远镜。
在光线充足的情况下，韦伯望远镜可以利用凌日光谱学来测量系外行星的大气。韦伯能够观测到围绕类太阳恒星运行的小型海王星，以及围绕红矮星运行的地球般大小的世界。
若地球外存在生命，将留下独特的化学痕迹，例如呼吸二氧化碳和光合作用氧气。通过分析一颗行星大气中的分子，不仅可以让科学家寻找其他星球上可能存在的生命，还可以评估一颗行星的宜居性。韦伯可以用探测红外波长来识别系外行星大气中的水和甲烷等。韦伯配备了两种仪器可以让科学家破译来自太阳系以外的其他星系的红外传输波长。
当望远镜观测某颗恒星时，如果有系外行星“抢镜头”，恒星光的某些能量会下降，这与系外行星的大气化学物质相对应。如果韦伯望远镜碰巧在正确的时间观察正确的恒星，那么它可以通过分析恒星光中的光点，来分析该恒星的行星大气化学组成。
最初的恒星应该完全由氢和氦组成。归功于韦伯在红外波长下识别昏暗的遥远物体的能力，韦伯应该能找到绝对纯净的恒星。
从过去那些令人惊叹的照片可知，恒星的诞生地满是尘埃。但当科学家用可见光观察这些云团时，尘埃却阻挡着他们深入云层的中心一探究竟。幸运的是，来自恒星的红外光可能会穿透尘埃，提供一种观测的可能。
韦伯更宽的红外范围将使科学家能够更深入地观察尘埃。这次，科学家们或许能够穿越尘埃，观测那些年轻的恒星是如何从最密集的尘埃裂缝中升起，甚至从高精度细节辨认出这些尚在诞生中的新星。我们将能够观测到宇宙中形成的一些以前从未见过的最早星系。
这对于我们了解尘埃是如何形成恒星的、恒星为何会以星团形式等问题，将带来巨大改变。
根据爱因斯坦的广义相对论，当一颗垂死恒星崩溃，它将向中心塌缩，那里将成为黑洞，吞噬邻近宇宙区域的所有光线和任何物质。
包括光在内，没有任何东西可以逃离黑洞。因此从技术上而言，黑洞并不可见。但有大量的可见物质围绕着黑洞运动，包括恒星、尘埃和整个星系。科学家们只能通过观察这些来研究黑洞。
过去，科学家们曾使用X射线望远镜来研究黑洞的物理特点。这些望远镜观察的是温度高达数百万度且足以产生X射线的现象，比如恒星在太靠近黑洞时被猛烈地撕碎等。而韦伯的红外仪器将帮助科学家观察黑洞阴影下发生的事情，特别是较冷的气体和围绕着它们的看不见的恒星。
恒星聚集处是一片尘埃。韦伯强大的红外功能将允许科学家透过尘埃的面纱得到宝贵的信息。韦伯将提供有关黑洞恒星斗篷的温度、速度和化学成分的关键信息。科学家可以利用这些信息来更多地了解黑洞的质量和大小，以及黑洞是如何以恒星为食的。
对“黑暗时代”的研究，向来是当今科学前沿课题之一。根据宇宙大爆炸理论，我们的宇宙是137.5亿年前由一个小点的爆炸形成然后膨胀。大爆炸约38万年后，能量才逐渐形成了物质，这时由于没有新的光源产生，宇宙是黑暗的。直到10亿年后，星系越来越多，宇宙才亮了起来。因此，这10亿年被称为宇宙“黑暗时代”。
了解这一时代的关键是它们留下的遗迹，比如宇宙微波背景辐射。1964年，人类首次探测到这种宇宙微波背景辐射。如今我们使用复杂的工具，比如欧洲航天局的普朗克探测器，可以来探测微小的波动，从而创造一个年轻宇宙中物质和能量分布的快照视图。
斯皮策望远镜和哈勃望远镜曾一起拍摄了一个名为GN-z11的星系的图像，它保持了迄今为止测量到的最远星系的记录。它是宇宙只有4亿年历史时的遗迹，当时宇宙的年龄只有现在的3%，大小不到现在的10%。
而韦伯望远镜在尺寸、灵敏度、波长范围等方面都有了显著提升，我们有理由相信，未来韦伯会给科学家们带来更多的惊喜，用最先进科技来解答人们对宇宙最根本的问题，了解遥远的宇宙往事，如：第一批星系是如何进化的，我们太阳系是独一无二的吗......这或许将完全颠覆我们现有的宇宙理论。
从上世纪八九十年代一个超前的革命性想法，到如今落成现实、飞上太空，韦伯项目见证了人类科研的力量。即使过程困难重重，被质疑、被嘲笑，但只有行动起来，才能化幻想为奇迹。
韦伯太空望远镜作为人类迄今为止制造的最复杂的物体之一，年复一年，无数人将他们宝贵的时间与金钱都倾尽于此。它会证明：如果你足够专心、足够坚持，最终会取得惊人成就。这不仅适用于太空望远镜，对我们大多数人也是受用一生的经验。
对于它的发射，韦伯项目的首席科学家约翰·马瑟（John Mather）释怀地说，
“我不会为我不该操心的事情感到焦虑，我们都明白自己在做着正确的事，大家都努力向着完美而努力了，所以能够接受任何结果。”
把望远镜放心地交给火箭、交给宇宙，剩下能做的只是关注和等待。愿六个月后我们能够收到韦伯望远镜寄来的“明信片”，带我们去挑战理论、去领略那个未曾想象的宇宙未知之境。
1). NASA官网
2). 中国国家航天局官网
3). 《詹姆斯·韦伯太空望远镜的前世今生，以及它又延期了》BY NASA航天爱好者（ID：NASAtoMars）
4). 《史上最强望远镜韦伯，将回顾宇宙不为人知的“黑暗时期”》BY NASA航天爱好者（ID：NASAtoMars）
5). 《詹姆斯·韦伯空间望远镜将如何让我们看到更多未知的宇宙？》BY 新浪探索（ID：sinascience）
6). 《等了25年，“鸽王”韦伯太空望远镜计划年底上天》BY 知道News（ID：xjb-jingshier）
7).《人类建造的有史以来最伟大的空间望远镜，即将发射》BY 熊二笔记（ID：xiong-talks）
8).《价值100亿美元的折纸：韦伯望远镜将如何发射，入轨和展开?》，up主/传播新知，B站
9).《项目首席科学家带你了解韦伯望远镜》，up主/给虫Official，B站
10).《詹姆斯韦伯望远镜即将发射：前 30 天将是纯粹的恐怖》，up主/垚忘，B站
11).《突破：建造韦伯望远镜（2021）》，汉化/水山水山水山，微博
