價值約100億美元、史上最強望遠鏡升空，一文讀懂“詹姆斯·韋伯”_風聞

來源：微信公眾號“中國航天報”

12月25日20時20分，在世人的矚目下，數千名科學家與工程師花費20餘年精心設計與建造的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，終於在庫魯航天發射中心使用阿里安-5大型運載火箭發射升空。

阿里安-5火箭攜帶“韋伯”升空

如果你站在直徑6.5米的韋伯太空望遠鏡前，一定不敢大聲喘息。這部望遠鏡擁有18片一塵不染的鍍金主鏡片、5張薄如蟬翼的聚酰亞胺隔熱罩、低至-223攝氏度的工作温度和97億美元的製造成本。它是人類迄今為止製造的最大、最複雜、最強勁、最具有想象力的太空望遠鏡，簡稱JWST。

阿里安-5火箭攜帶“韋伯”進入太空想象圖

“韋伯”標誌性外觀——18片六邊形鍍金鈹鏡組成的主鏡

“韋伯”部署後可以替代年事已高的哈勃太空望遠鏡。與專注於可見光波段的“哈勃”不同，“韋伯”可以看到波長更長的中紅外波段，同時具有更高的靈敏度與分辨率。它可以看到宇宙中最久遠的事件和最遙遠的物體，並在天文學和宇宙學研究前沿大放異彩，對推動整個人類社會的進步有着重大意義。

光學設計：盡帶黃金甲

光學望遠鏡模塊(OTE)是“韋伯”的主要結構之一，由望遠鏡的主鏡、次鏡、三級反射鏡、精細轉向鏡、望遠鏡框架及其控制裝置等結構組成。OTE好比整個“韋伯”的眼睛，其原理是三鏡消像散望遠鏡：光線首先由主鏡匯聚並反射給次鏡，次鏡進一步將光線傳遞給處於望遠鏡中心的三級反射鏡，而後經過精細轉向鏡傳遞給綜合科學儀器模塊進行光線的接收與處理。  

“韋伯”光路示意圖

“哈勃”與“韋伯”主鏡對比示意圖

“韋伯”最吸人眼球的是那18面金光閃閃的六邊形主鏡。這是一面直徑6.5米的鍍金鈹質反射鏡，總面積達到25.4平方米，是“哈勃”的6倍以上。對望遠鏡來説，口徑即真理，“韋伯”的觀測能力與“哈勃”相比有巨大提升。“哈勃”拍攝著名的“超深場”圖像時，一動不動地指向太空中同一個地方，連續拍攝了16天才捕捉到那令人難以置信的微弱、遙遠星系的圖像。與之相比，“韋伯”將在短短7小時內完成類似的觀測任務。

“哈勃”超深場圖像是人類拍攝過迄今為止最久遠宇宙的照片，其中有132億年前的古老星系。“韋伯”將會拍出更加震撼的圖像。

質量方面，“韋伯”的總重約6.5噸，只有“哈勃”的一半，但體積卻比“哈勃”有明顯提升。其中,“哈勃”主鏡為玻璃材質，總重828公斤，而“韋伯”則選用了元素週期表裏第四個元素——金屬鈹，它具有極低的密度，使巨大的主鏡重量只有705公斤。

此外，鈹還有硬度較高、熱膨脹係數較低等優點，使“韋伯”能夠勝任工作條件下巨大的温差，而不會產生過多的熱脹冷縮。“韋伯”的鈹鏡表面利用氣相沉積技術噴塗了100納米厚的金層，盡顯奢華，因為金可以很好地提高紅外光反射率，起到更好的成像效果。最後，工程師在金層外面又噴塗了一層極薄的二氧化硅，以防止柔軟的金層被劃傷。

2012年，技術人員正在檢查其中一片主鏡

左：2011年，準備進行低温測試的前六片主鏡

右：2017年，準備進行低温測試的OTE模塊

對主鏡的設計與建造是整個“韋伯”工程中最具挑戰性的。主鏡展開後寬達6.5 米，如果把它做成一面單獨的大鏡子，對現有的運載火箭來説均太大了。因此，工程師將主鏡分割成18塊正六邊形，在發射前摺疊放入火箭整流罩，發射後再展開，異常精巧，是合理利用火箭整流罩空間的設計典範。

因為主鏡展開後的精度對望遠鏡的觀測能力有巨大影響，如何保證展開後的精度是主鏡設計的難點之一。換句話説，18片獨立的鏡片在展開後要渾然一體。對此，工程師為每一塊鏡片設計了6個電動伺服機構(致動器)，使每塊鏡片均能單獨調整角度，最高調整精度甚至達到了10納米，這一尺寸大約相當於人類頭髮絲的一萬分之一。“韋伯”發射後，近紅外相機 (NIRCam) 的波前傳感器會測量每一片主鏡的誤差，進而利用計算機算法實現每一塊鏡片的自動調整。

“韋伯”的次鏡、三級反射鏡的材質與主鏡相同，均為鍍金鈹鏡。其中次鏡是一個直徑74釐米的圓形曲面，三級反射鏡則是一個更小的不對稱六邊形鏡片。光線經過主鏡、次鏡、三級鏡的反射後，由精細轉向鏡進一步穩定圖像，傳遞給綜合科學儀器模塊中的四個主要科學載荷，對光線進行分析與處理。

工程師使用乾冰清潔次鏡 

三級反射鏡和精細轉向鏡

軌道及熱控設計：寒光照鐵衣

體温槍的原理是測量人體發射出紅外線的強度，因為物體的温度越高，向四周輻射出的能量就越強，輻射出來的紅外線就越多。如果“韋伯”的工作温度過高，它的鏡片等結構自身也會發射出紅外線，遮蓋住來自遙遠星系的微弱紅外光。因此，“韋伯”的光學望遠鏡模塊需要在-223攝氏度以下的極端低温中工作。

在太空中對探測器影響最大的熱源是太陽，遠離太陽便可以降低太陽的輻射量，但過遠則會影響太陽能電池板的正常電力供應，並且降低對地通信速率。科學家與工程師找到了一個熱量與電源的絕佳平衡點——拉格朗日L2點。

地球與太陽形成的穩定體系中存在5處引力平衡點，“韋伯”便選擇了日地拉格朗日L2點作為大本營。只需要微量的擾動，該望遠鏡就可以長期穩定在L2點附近。在此處，“韋伯”可以將陽光全部“拋於腦後”，將鏡面對向沒有太陽的天空。

“韋伯”軌道示意圖，天體大小未按照真實比例  

日地拉格朗日L2點距地球約150萬公里，在此處來自太陽、地球與月球的紅外線依舊會對紅外觀測產生影響。為使望遠鏡温度進一步降低，科學家使出了渾身解數——2003年發射的斯皮策空間紅外望遠鏡也運行在L2點，同時使用昂貴的液氦作為製冷劑，其温度低至-267.7攝氏度。但是，有限的液氦在2009年5月就用完了，導致其工作温度不斷上升，此後的觀測性能大打折扣。

展開後的五層菱形隔熱罩

為實現更長的使用壽命，“韋伯”並未使用液氦作為製冷的主要手段，而是攜帶了五張網球場大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩。每張隔熱罩厚度與人類的頭髮直徑相近，離太陽最近的層厚0.050毫米，其他層厚0.025毫米。

為提高薄膜的反射率，以將更多熱量反射出去，隔熱罩正反面均附有一層100納米厚的鋁，離太陽最近的兩層還摻雜了硅，這是這兩層材料顯現出淡紫色的原因。每層隔熱罩均可以阻擋約90%的熱量，五層協同工作可以使兩側的温度差達到約300攝氏度，為望遠鏡主要結構提供-223攝氏度以下的工作温度。

“韋伯”的隔熱罩原理示意圖

與望遠鏡相同，巨大的隔熱罩是不能以展開狀態放入火箭整流罩的。完全展開的隔熱罩長約21米，寬約14米，在發射前它將像摺紙一樣小心地摺疊12次，在發射後通過複雜的機械設備按部就班地展開到位。

正在手工摺疊的隔熱罩

摺疊完畢的“韋伯”，左右淡紫色的是隔熱罩

遮陽板可以將望遠鏡的鏡片等結構温度降至-223攝氏度以下，但該温度對於科研探測設備來説還是偏高。三部近紅外成像儀將通過被動冷卻系統在大約-234攝氏度下工作。中紅外成像儀的要求更加苛刻，它的工作温度低至-266攝氏度，在它身上只能通過液氦進行冷卻。不過，它對於液氦的需求量遠低於斯皮策空間紅外望遠鏡，液氦資源不會過於捉襟見肘。

發射流程：隻影向誰去

“韋伯”使用歐空局研製的阿里安5大型運載火箭，在法屬圭亞那庫魯航天發射中心發射升空。前面已述，“韋伯”的光學結構與隔熱結構均是摺疊的，發射後需要展開。

此外，“韋伯”還有太陽能電池板、通信天線等至關重要的儀器設備需要展開後才能正常工作。因此，發射後的“韋伯”不能立即工作，還有6個月的在軌部署與測試工作等着它。

“韋伯”的太陽能電池板

**下圖顯示了“韋伯”發射後在軌部署的全流程工作。**起飛26分鐘後，火箭完成任務，“韋伯”獨自踏上去往日地拉格朗日L2點的路(A)。緊接着，它的太陽能電池板將會首先展開（B)，畢竟充足的電源是日後所有工作的基礎。兩小時後它會轉動通信天線，對準地球(C)。

下一步是隔熱罩展開。發射3天后，主鏡前後的隔熱罩托盤先後打開(D/E)，光學望遠鏡模塊整體抬升，以與隔熱罩拉開距離 (F)。下一步將會展開一面不太起眼的襟翼(G)，它的作用是平衡巨大隔熱罩承受太陽風的壓力，可以最大限度地降低任務期間的燃料用量。最關鍵的步驟便是將五層隔熱罩展開到位並張緊(H/I)，這個過程耗時兩天。最後，每層隔熱罩之間還需要分開一定的距離，起到更好的隔熱效果(J)。

“韋伯”在軌部署全流程示意圖  製圖：杜駿豪  

隨後進行光學望遠鏡模塊的展開工作，此步驟耗時4天。首先會將次鏡的長臂打開，使次鏡到位並鎖緊(K)。然後會將望遠鏡背部的儀表散熱器展開(L)，該散熱器承擔着紅外成像儀等關鍵科研儀器的降温工作。最後兩天依次展開左右兩邊的主鏡(M/N)，所有的在軌展開工作便大功告成了。

在這個環環相扣的繁瑣環節中，任何一個環節出現問題都將對“韋伯”的工作性能產生影響。因為拉格朗日L2點距離地球較遠，我們沒有機會派載人飛船前去維修，所以一切工作都要在地面試驗完成，以確保萬無一失。

之後是望遠鏡漫長的整體調試期，耗時至少6個月。工程師和科學家將確認每台科研儀器都在正常工作，並對18片主鏡進行調試，使其達到最佳聚焦能力。

任務目標：欲窮千里目

綜合科學儀器模塊(ISIM)承擔着“韋伯”的科研探索工作，一共由4款主要儀器組成，分別是近紅外相機(NIRCam）、近紅外光譜儀(NIRSpec)、精細制導傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)、中紅外儀(MIRI)。 

左上：NIRCam 右上：FGS/NIRISS 下：MIRI的核心感光元件

近紅外相機、近紅外光譜儀均可以觀測0.6到5.0微米的波段，近紅外相機還承擔着18片主鏡的在軌測試與校準任務。精細制導傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)由精細制導傳感器、近紅外成像與光譜儀聯合組成，可以觀測0.8至5.0微米的波段。

精細制導傳感器是整個“韋伯”的“羅盤”，通過該傳感器，“韋伯”能以極高的精度指向需要探索的天空。中紅外儀是中紅外波段相機與光譜儀的複合體，可觀測4.6微米到28.6微米的中長紅外波段。它還配備了日冕儀，非常適合觀測系外行星。

有了這些波段與原理互補的科學載荷，“韋伯”就化身成一部時光機器。它可以看到130億光年外的宇宙，觀測宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙久遠的歷史。

另外，“韋伯”還可以通過觀測遙遠的原始星系，以確定星系是如何演化的，這對我們反思太陽系如何形成與演化有着建設性意義。在星雲中間，有不少低能量褐矮星、年輕的原恆星，因為它們的光芒過於暗淡，只有通過“韋伯”才能觀察到它們。因此，“韋伯”將為我們揭示一個由不可見的恆星和行星組成的隱秘宇宙。對於系外行星的探索甚至有助於我們揭開地球上生命起源的疑團。

“韋伯”將為人類解開更多宇宙奧秘

“韋伯”作為人類史上最強勁的望遠鏡，人類已經為它傾注了所有科技、財力與時間。人類的好奇心是偉大的，它帶領我們前赴後繼地探尋宇宙起源、生命起源的真諦。“韋伯”就代表着人類最深邃的好奇心，它使人類能夠“不畏浮雲遮望眼”，帶我們看看未曾一見的隱秘世界，為整個人類的科學認知貢獻不可泯滅的力量，讓我們祝它一路順風！