最昂贵的望远镜最高端的望远镜

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詹姆斯·韦伯空间望远镜工作想象图。NASA网站）
美国国家航空航天局2021年12月25日20:20（NASA）的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）欧洲空间局（ESA）阿丽亚娜5型火箭在法属圭亚那库鲁的航天发射中心成功发射，然后成功推出太阳能电池板，开始独立飞行。这款历史上最昂贵的空间望远镜，承载着人们期待的目光，经过无数的曲折，终于迎来了起飞的日子。天文学界期待的一天终于到来了，人类探索宇宙的历史将进入一个新时代。
重任在肩 自人类进入空间望远镜时代以来，空间望远镜不断刷新我们对宇宙的理解，具有不受地面观测条件限制的优势和强大的观测能力。从1990年到2003年，美国国家航空航天局实施了大型天文台（Great Observatories）除了著名的哈勃空间望远镜，还有康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策空间望远镜。这四个空间望远镜在电磁波的不同波段观察宇宙，为我们描绘了更完整的宇宙图景。
哈勃空间望远镜于1990年4月发射，在轨道上运行了31多年，取得了大量的观测结果，是迄今为止最成功的空间望远镜。我们经常把詹姆斯带走·韦伯空间望远镜被称为哈勃空间望远镜的接班人·韦伯空间望远镜的期望是什么。NASA科学任务理事会（NASA Science Mission Directorate）托马斯副主席·祖布钦（Thomas Zurbuchen）这句话很有代表性：我们对宇宙了解得越多，我们就越能意识到这台望远镜在设计望远镜时回答我们甚至不知道如何提问的问题有多重要。
但严格来说，哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜不是同一类型的望远镜：哈勃空间望远镜主要工作在光学波段，詹姆斯·韦伯空间望远镜主要工作波长0.6微米到28.5微米的红外波段。在工作原理上，詹姆斯·韦伯空间望远镜更适合斯皮策空间望远镜的接班人，这样的接班人更紧迫。斯皮策空间望远镜于2003年8月发射并升空，服役16年以上。2020年1月30日，美国国家航空航天局宣布斯皮策空间望远镜正式退役。斯皮策空间望远镜让我们在红外波段看到了宇宙的另一个场景，帮助我们找到了系外行星。同时，研究也是詹姆斯·开发韦伯空间望远镜铺平了道路。现在，我们需要詹姆斯·在红外波段，韦伯空间望远镜更好地揭示了宇宙的秘密。
詹姆斯·韦伯空间望远镜将在29天内到达距地球150万公里的拉格朗日点（L2）。工作在L2航天器可以与太阳和地球基本稳定，因此它是需要在相对地球稳定的位置长期工作的理想位置。在此之前，威尔金森微波异性探测器、赫歇尔空间望远镜和普朗克卫星都在那里L2停留在附近L2后，詹姆斯·将使用韦伯空间望远镜1-2打开仪器需要3个月左右的时间，然后测试仪器。发射升空约半年后，望远镜可正式进行科学观测。

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詹姆斯·韦伯空间望远镜(图片来源:NASA网站）
观天利器天文学界之所以对詹姆斯·韦伯空间望远镜之所以给予巨大的期望，是因为它具有前所未有的强大探测能力。2006年诺贝尔物理学奖天体物理学家约翰·马瑟（John Mather）曾经是美国科学促进会（AAAS）会议介绍了望远镜的探测能力：它能探测到25万英里外一只大黄蜂的热量，这也是地月之间的距离。
詹姆斯是一台强大的时间机器·韦伯空间望远镜有能力回望大爆炸后2亿年也就是大概135亿年前宇宙的模样，观察早期恒星和星系的形成过程。同时，它的超高红外敏感度会帮助天文学家将最早最小的星系同今天巨大的漩涡星系和椭圆星系进行比较，有助于我们理解数十亿年来星系如何聚合在一起。詹姆斯·韦伯空间望远镜可以观察星际尘埃，这对研究恒星的诞生尤为重要，因为年轻的恒星通常诞生在巨大的尘埃云中。此外，詹姆斯·韦伯空间望远镜还将研究系外行星的大气成分，有可能在宇宙的其他角落找到生命的线索。
镜面面积是望远镜的关键指标。一般来说，镜面越大，收集信号的能力就越强。然而，由于火箭携带空间和发射重量的限制，空间望远镜的镜面面积远小于基础望远镜。虽然哈勃空间望远镜取得了优异的成就，但它的主镜尺寸只有2.4米，这也限制了它的探测能力。詹姆斯在镜面面积指标上·韦伯空间望远镜进行了革命性的改进。其主镜由18个六边形镜子组成，直径达到6.5米，斯皮策空间望远镜的镜面面积是红外望远镜的50倍。
但即使是直径6.5米对尺寸对火箭来说太大了，所以詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜子在安装火箭之前需要折叠。这种望远镜折叠后高度为10.66米，宽度为4.5米，直径17米，5.4米的整流罩。在太空中展开后，望远镜的高度为8米，长度为8米21.2米，宽度为14.2米。詹姆斯·太空中韦伯空间望远镜的展开过程也将是历史上最复杂的太空展开过程，这是望远镜成功发射后面临的另一个挑战。
詹姆斯·韦伯空间望远镜观察宇宙前所未有的精度，因此必须配备前所未有的先进技术。技术研究也是望远镜发射时间反复延迟的重要原因之一。例如，这种望远镜需要在极低的温度下工作，因此必须创新冷却技术。望远镜上网球场的结构是用来遮挡太阳和地球发出的热量。遮阳板内部主体为真空，具有优异的真空保温性能。真空外部为保温层，共5层，其中4层用于满足望远镜冷却的要求，其余1层主要用于损坏空间中的其他4层保温层。保温层的效果非常明显：望远镜将在-233℃望远镜的受热面温度约为85℃ 。
詹姆斯·韦伯空间望远镜需要面对的另一个问题是重量。当镜面面积明显高于哈勃空间望远镜时，如果使用相同的材料，必然会超过火箭的起飞重量。因此，研究人员制造镜面。这种金属很轻，在很低的温度下不会变形。同时，镜面镀金可以获得高红外反射率，这也是我们看到的詹姆斯·韦伯空间望远镜的照片是金色的。
好事多磨 詹姆斯·韦伯空间望远镜的成功发射不仅让天文学界和关注太空探索的公众感到兴奋和欣慰，也让人感到意想不到，因为在望远镜的整个研发周期中，我不知道发射延迟了多少次。
2090年代中期，哈勃空间望远镜投入使用后不久，NASA确定了下一代空间望远镜（NGST）概念。2002年，NASA正式立项并将望远镜更名为詹姆斯·韦伯空间望远镜。·韦伯（James Webb）是NASA从1961年到1968年，第二任主任。正是在他的直接领导下，美国开始了登月计划，迎来了空间科学发展的黄金时代。
在NASA当提出下一代空间望远镜的概念时，望远镜的发射时间定在2007年。当项目正式批准时，预计发射时间为2010年。然而，随后的开发过程充满了曲折，发射时间表也一再更新。2015年3月，NASA詹姆斯告诉美国国会·2018年10月，韦伯空间望远镜发射。但同年9月，NASA将发射时间推迟到2019年春季。到2019年3月，NASA发射时间不早于2020年5月。2019年6月28日，NASA2021年3月30日，将发射时间直接推迟10个月。
在NASA公布詹姆斯·韦伯空间望远镜将于2021年12月发射，许多旁观者可能会能会持怀疑态度。毕竟，之前推迟发射的犯罪记录数不胜数。果然，从12月18日到12月22日再到12月24日，12月的发射日期被推迟了好几次。然而，由于天气预报显示，12月24日发射场的天气条件较差，发射时间被推迟到圣诞节。詹姆斯直到火箭点火·当韦伯空间望远镜真正踏上探索之旅时，漫长的等待终于结束了。
推迟太空探索计划的发射是正常的，因为在探测器的设计和制造过程中会出现许多无法控制的情况，包括科学目标的调整、制造技术的研发等。但詹姆斯·韦伯空间望远镜的推迟次数和延后时间堪称创下纪录。这其中，既有政治方面的原因，比如与美国国会谈判以争取经费；也有社会方面的原因，比如2020年以来的新冠疫情导致望远镜制造的延误；同时还有意外发生的情况，比如项目承包商使用了错误的溶剂来清洁已经安装好的推进阀门，致使推进阀门需要被拆卸下来经过清洗后再重新安装回去，以及失误造成望远镜发生意外震动，等等。临近发射时，则是由于天气原因导致发射推迟。
这一系列的延迟导致詹姆斯·韦伯空间望远镜的最终发射时间比最初计划的时间晚了14年，支出从最初的5亿美元飙升到108亿美元，成为美国政府支持的最昂贵的科学项目。NASA希望在加强国际合作的同时，在一定程度上分担成本，因为詹姆斯·韦伯空间望远镜已成为欧洲空间局和加拿大空间局的国际合作项目（CSA）欧洲空间局的主要任务之一是提供带望远镜的阿丽亚娜5型火箭及相关配套发射服务，这也是望远镜在欧洲空间局发射场发射的原因。
詹姆斯·韦伯空间望远镜的设计使用寿命为10年。NASA我们也在开发新技术，希望通过机器人向望远镜添加推进剂，延长望远镜的使用寿命。考虑到之前的空间望远镜，我们有理由相信詹姆斯·韦伯空间望远镜可以持续更长时间。我们也有理由相信，这款凝聚了数万名科学家和工程师智慧的空间望远镜，将完全改变我们对未来宇宙的理解。
【最昂贵的望远镜最高端的望远镜】南方周末特约撰稿鞠强

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