法屬圭亞那當(dāng)?shù)貢r間2021年12月25日9點(diǎn)20分，即今天北京時間20點(diǎn)20分，舉世矚目的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那空間中心成功搭乘阿麗亞娜5號（Ariane 5）運(yùn)載火箭升空。^[1]

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡為James Webb Space Telescope（JWST）的標(biāo)準(zhǔn)中文翻譯，以下我們簡稱其為“韋布”。韋布原名為“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”（NGST），為紀(jì)念詹姆斯·韋布（James E. Webb，1906-1992），相關(guān)機(jī)構(gòu)于2002年將其改為現(xiàn)名。詹姆斯·韋布在1961-1968年擔(dān)任美國國家航空航天局（NASA）的第二任局長，在其任職期間推進(jìn)了著名的阿波羅登月計劃。

從1996年形成概念到今天發(fā)射，韋布望遠(yuǎn)鏡的論證與研發(fā)歷經(jīng)25年時間，期間相關(guān)部門多次推遲預(yù)計的發(fā)射時間，預(yù)算也隨之不斷瘋狂膨脹。到發(fā)射前，它耗資已超100億美元。經(jīng)歷無數(shù)艱辛與苦難，韋布望遠(yuǎn)鏡終于被發(fā)射升空，開始了它的漫漫征程。

在這篇短文中，我們將簡單介紹這個旗艦級的偉大望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)、儀器與觀測目標(biāo)。

至今為止最大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡

韋布是至今為止最大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，其口徑達(dá)到6.5米。作為對比，31年前升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（簡稱“哈勃”）與預(yù)計在2025年升空的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡（簡稱“羅曼”）的口徑都是2.4米（參見《100個哈勃：羅曼空間望遠(yuǎn)鏡有多強(qiáng)？》）；2009-2013年之間運(yùn)行的赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡（簡稱“赫歇爾”）的口徑則為3.5米。

成人身高、哈勃口徑與韋布口徑的比較。Credit：NASA

與哈勃、羅曼、赫歇爾不同的是，韋布的主鏡面是由18塊正六邊形鏡面拼接而成的：每塊鏡面的邊長約為0.75米，面積約為1.4平方米，18塊鏡面的總面積為25.4平方米，拼接成直徑約為6.5米的鏡面。

韋布的采光面積比哈勃的大得多，但其鏡片的重量卻只有哈勃的一半，這首先因?yàn)轫f布的主鏡面用密度低的鈹制成——就是初中化學(xué)就要背誦的“氫氦鋰鈹硼”中的“鈹”。鈹?shù)拿芏葍H為水的密度的1.85倍。其次，韋布鏡坯背面大部分被挖空，這進(jìn)一步降低了它的重量。

為了使鏡片能夠反射光，大部分望遠(yuǎn)鏡都需要在鏡片上鍍一層反射能力強(qiáng)的金屬。韋布上面鍍的是 “土豪金”，這使得韋布的鏡面看上去金光閃閃。黃金可以反射99%的紅外線，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。這些黃金涂層厚度僅為100納米（0.1微米），總質(zhì)量僅48克。

韋布的主鏡面拼接塊之一，上面鍍著厚度只有100納米厚的黃金。這層黃金膜將增強(qiáng)鏡面的反射率。Credit：NASA/Drew Noel

韋布的鏡面不僅是拼接式的，還是折疊式的。因?yàn)樗鼘?shí)在太大了，無法被裝入發(fā)射它的火箭的內(nèi)部。為此，工程師們將其設(shè)計為折疊傘一樣的望遠(yuǎn)鏡，先將主鏡面與其他所有構(gòu)件盡量折疊，等它進(jìn)入軌道之后，再通過地面遙控的方式，將這些構(gòu)件逐一展開。

由于其龐大的體量，即使被折疊起來，韋布依然高達(dá)10.66米，寬達(dá)4.5米。阿麗亞娜5號火箭的整流罩的高度為17米，直徑為5.4米，二者完美匹配——這不奇怪，科學(xué)家和工程師們就是以“能夠?qū)㈨f布裝進(jìn)這款火箭”為目標(biāo)，來設(shè)計折疊方案的。

可以看到更暗的天體，但未必比哈勃更敏銳

由于韋布的采光面積比哈勃大得多，一樣的曝光時間內(nèi)，韋布可以觀測到比哈勃觀測到的最暗的物體更暗10-100倍的天體。

韋布的大口徑除了會使它更快搜集到遙遠(yuǎn)、暗弱天體發(fā)出的光之外，還可以確保其有足夠高的分辨率。因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的分辨率與口徑成正比，與接收的輻射的波長成反比。相比哈勃，韋布大部分時候觀測的波長比哈勃觀測極限波長更長，如果鏡面與哈勃一樣大，則其分辨率就低于哈勃的分辨率。

為了盡量克服這個問題，韋布的口徑必須更大。它的口徑是哈勃的大約3倍，當(dāng)它觀測的波長為哈勃觀測波長的3倍時，二者的分辨率相等。不過，由于韋布的觀測波長極限是哈勃的的12倍，在大部分情況下，特別是中紅外范圍的情形下，韋布3倍大的口徑還是無法確保其分辨率可以與哈勃匹敵。所以韋布的官網(wǎng)在回答“韋布的分辨率會不會和哈勃一樣好？”這個問題時，先是給出肯定的回答，然后緊接著說“不過是在近紅外”^[2]。

韋布鏡面上的黃金薄膜會很好地反射紅外線、紅色光與黃色光，但會吸收藍(lán)紫光與紫外線，這使韋布無法觀測近距離天體的藍(lán)紫光與紫外線。

不過，韋布可以觀測到足夠遠(yuǎn)的天體發(fā)出的藍(lán)紫光與紫外線，這是因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的可見光與紫外線在膨脹的宇宙中穿行足夠遠(yuǎn)后就被會被拉長為紅外線——紅移，從而被韋布探測到；這就等價于韋布探測到了這些遠(yuǎn)距離天體的可見光與紫外線。

因此，韋布觀測紅光與紅外線時是正常的眼，在觀測可見光與紫外線時則是一個遠(yuǎn)視眼。

太空中的一錘子買賣

天體發(fā)出的電磁波輻射中的大部分紅外線在到達(dá)地球后會被地球大氣吸收，為了觀測到這些紅外輻射，紅外望遠(yuǎn)鏡都必須發(fā)射到太空之中。

按照計劃，韋布升空后，將用一個月時間讓自己抵達(dá)距地球約150萬千米處。說得更精確一些，韋布將大致圍繞著日-地連線延長線上、距離地球150萬千米的一個點(diǎn)運(yùn)動，同時與地球一起繞著太陽公轉(zhuǎn)。這個點(diǎn)被稱為“日-地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)”。

必須說明的是，第一、第二與第三拉格朗日點(diǎn)實(shí)際上是歐拉（Leonhard Euler， 1707-1783）于1765年研究平面限制性三體運(yùn)動期間發(fā)現(xiàn)的。1772年拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange，1736-1813）發(fā)現(xiàn)了第四與第五個精確解。然而，后人把這五個精確解對應(yīng)的位置都打包算到拉格朗日頭上了（歐拉：老夫心里苦，老夫有話說，不過還是算了……）。

Jakob Emanuel Handmann畫的歐拉畫像。Credit：wiki

一部分文章說韋布（以及其他很多探測器）位于日-地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)，這種說法容易引起一定的誤導(dǎo)作用，讓人以為它始終處于日-地延長線上一個固定的點(diǎn)。這是不可能的。因?yàn)樵谶@個點(diǎn)處，陽光都被地球擋住，會導(dǎo)致作為電源的電池帆板無法接收到太陽光。更重要的是，第一、第二與第三拉格朗日點(diǎn)在動力學(xué)上是不穩(wěn)定的。

為了克服這個問題，人們讓望遠(yuǎn)鏡或探測器環(huán)繞著這個點(diǎn)做異常復(fù)雜的三維軌道運(yùn)動^[3]，既可以避免不穩(wěn)定問題帶來的無序運(yùn)動，還可以讓其接收到陽光。

從韋布升空后大約半小時開始，它將經(jīng)歷幾百個操作與調(diào)試才可以進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，整個過程需要大約6個月，這期間只要有一個操作出現(xiàn)障礙，都會導(dǎo)致韋布死亡。這也正是韋布不斷被延遲發(fā)射的原因之一：人們必須確保萬無一失，才可以獲得成功。

韋布展開構(gòu)件的順序：在升空后大約半小時，太陽電池帆板先展開，然后進(jìn)行一系列操作，按順序分別是通信天線展開，遮陽板展開，副鏡展開，主鏡面展開，最后整個望遠(yuǎn)鏡到達(dá)第二拉格朗日點(diǎn)附近。Credit：NASA

乘坐航天飛機(jī)的宇航員對哈勃的幾次維修都轟動世界。對于韋布而言，這種驚險刺激的景觀不會出現(xiàn)，因?yàn)樗c地球的距離實(shí)在太大了——是月球與地球的距離（38萬千米）的約4倍，是哈勃與地球的距離（570千米）的約2700倍。

即使現(xiàn)在至未來十年還有航天飛機(jī)或類似的航天器，要維修這么遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，也是不可能的，更何況世界上已經(jīng)沒有航天飛機(jī)或類似的載人航天器。如果韋布在運(yùn)行期間出現(xiàn)無法通過遠(yuǎn)程控制解決的故障，它就將死在冰冷的太空，成為有史以來最貴的太空垃圾。

韋布的主要儀器

韋布望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量為6161.4千克（6.1614噸），裝在質(zhì)量為350千克的飛船內(nèi)。望遠(yuǎn)鏡脫離火箭并通過所有調(diào)試后，將用精密導(dǎo)星傳感器定向。天體發(fā)出的輻射被主鏡面反射后進(jìn)入副鏡面，再進(jìn)入各儀器。

韋布的儀器有四個：近紅外照相機(jī)（NIRCAM）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外設(shè)備（MIRI）與近紅外成像器與無縫光譜儀（NIRISS）。這些儀器的觀測波長可以分為三大類：0.6-0.78微米之間的黃光與紅光、0.78-3微米區(qū)域內(nèi)的近紅外輻射與3-28微米之間的中紅外輻射。注意，中紅外的極限是50微米。（此處的近紅外與中紅外的范圍以 ISO 20473標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。）

〇 近紅外照相機(jī)的觀測波長范圍為0.6-5微米。作為對比，哈勃上面觀測波長最長的NICMOS的觀測極限是2.4微米。這個儀器實(shí)際上可以探測部分可見光與中紅外輻射。

〇 近紅外光譜儀利用棱鏡或光柵分解天體發(fā)出的光，將其分解為光譜。光譜是判斷發(fā)光體的化學(xué)成分的核心手段。

〇 中紅外設(shè)備包括中紅外相機(jī)與中紅外光譜儀，觀測波長范圍為5-28微米，是哈勃觀測的極限波長的2到12倍。

〇 近紅外成像器與無縫光譜儀用于觀測0.8-5微米范圍內(nèi)的光譜。

遮陽傘與電冰箱

由于外來的熱量與儀器自身工作時發(fā)出的熱量，望遠(yuǎn)鏡自身會有一定溫度，并發(fā)射出紅外線，這些強(qiáng)烈的紅外線會污染望遠(yuǎn)鏡收集到的來自天體的紅外輻射。

為了阻止外來的熱量，韋布的設(shè)計者為它設(shè)計了一個五層的“遮陽傘”，每層的厚度約等于頭發(fā)絲的直徑，寬度最大為4.57米，長度為16.19米，長與寬分別等于網(wǎng)球場的長與寬。

韋布的五層遮陽罩展開后的藝術(shù)想象圖。Credit：NASA

每經(jīng)過一層“傘”，就有大部分入射的輻射被隔絕，經(jīng)過五層遮擋，僅有約百萬分之一左右的輻射可以傳到望遠(yuǎn)鏡附近。這樣的遮陽裝置可以使整個望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的溫度保持在絕對溫度50 K（約-223℃）以下，這個溫度對于韋布上的近紅外儀器是足夠低的。

但是，這個溫度對于中紅外設(shè)備而言還是太高了，它要低到7 K（約-266℃）才可以探測中紅外輻射。為此，工程師們給它加了一個制冷機(jī)——壓縮制冷劑使其液化，液化制冷劑蒸發(fā)帶走熱量，降低溫度，但制冷劑自身幾乎都還在制冷機(jī)內(nèi)部。聽上去它就像是一個電冰箱，其實(shí)它確實(shí)就是一個電冰箱。

地球上的電冰箱要知道自己有這么一個高端的兄弟，都要激動哭了。必須提到的是，哈勃上的NICMOS一開始用的是液氮，后來也用了這種類型的制冷機(jī)。^[4]

上面說過，為了減輕重量，韋布的鏡坯是用鈹制造的。實(shí)際上，鈹還有另外兩個特性：比鋼堅硬好幾倍；在不同溫度的環(huán)境切換時，變形非常小。后一種特性使韋布的主鏡面可以在常溫-低溫切換時只產(chǎn)生非常輕微的變形。

韋布的探測目標(biāo)：從遠(yuǎn)古宇宙、外星大氣到太陽系內(nèi)天體

作為紅外望遠(yuǎn)鏡，韋布探測的目標(biāo)主要是一些天體發(fā)出的紅外輻射。這些紅外輻射有的是天體自身發(fā)出的紅外輻射；有的則本來是一些紫外線或可見光，但卻因?yàn)橛钪媾蛎浂蔀榧t外線。如果以觀測目標(biāo)來分類，韋布將觀測以下對象：

〇 一些正在形成的恒星系統(tǒng)。它們周圍還殘留著氣體與塵埃構(gòu)成的冷盤，盤內(nèi)正在形成類似于地球與木星的行星，它們發(fā)出的輻射集中于紅外波段。此前一些紅外望遠(yuǎn)鏡已對這些冷盤進(jìn)行過觀測。韋布的口徑更大，因此在同樣的波段上具有更高的分辨率，可以觀測到這些冷盤的更多細(xì)節(jié)。

〇 第一代恒星與第一代星系。根據(jù)理論研究，第一代恒星與星系形成于宇宙大爆炸之后大約1-2億年。它們與地球的距離極端遙遠(yuǎn)，它們發(fā)出的光，哪怕一開始是紫外線與可見光，在特別漫長的宇宙穿行的過程中，都會被拉長為紅外線。

這些紅外線無法被哈勃上的紅外線相機(jī)探測到，但可以被韋布觀測到，因?yàn)轫f布可以觀測的波長的上限是哈勃的12倍。正因?yàn)槿绱耍藗兂Ｕf韋布可以比哈勃看得更遠(yuǎn)。

韋布可以觀測到紅移超過20左右（15到30之間）、年齡約為2億年（1到2.5億年）時的宇宙。作為對比，哈勃最遠(yuǎn)觀測到紅移為10、年齡為4.8億年時的宇宙（見下圖）。這些觀測極限距離是由觀測波長決定的，不能通過擴(kuò)大口徑來達(dá)到。

〇 宇宙不同年齡時的各類星系。結(jié)合韋布對第一代星系的觀測，這將給出星系演化的完整圖景。

〇 銀河系內(nèi)、太陽系外的一些行星（系外行星）。韋布可以利用其上面的設(shè)備屏蔽這些行星的母恒星發(fā)出的光，從而直接拍攝到它們。

對于一些會遮擋母恒星的行星，韋布還可以捕獲母恒星被行星大氣折射后的星光，天文學(xué)家可據(jù)此分析出行星大氣的化學(xué)成分，甚至確定行星上是否含有液態(tài)水，是否適合生物繁衍與進(jìn)化——說人話，就是探索外星生命存在的可能性。

〇 太陽系內(nèi)部的天體，尤其是一些位于海王星之外的暗淡而寒冷的矮行星與小行星。這些冷天體發(fā)出的光以紅外線為主，正適合韋布。這些天體是太陽系的活化石，深入了解它們的性質(zhì)，有助于人類更深入了解太陽系的起源。

〇 各種恒星或恒星殘骸爆炸后產(chǎn)生的爆發(fā)現(xiàn)象。這些爆炸會發(fā)出大量紅外線。特別是一些非常遠(yuǎn)的Ia型超新星，它們發(fā)出的大部分紫外線與可見光將被膨脹的宇宙拉長為紅外線。韋布會配合大視場的羅曼望遠(yuǎn)鏡觀測它們，從而為確定遠(yuǎn)距離宇宙內(nèi)的星系的距離、精確測量早期宇宙的演化模式提供重要依據(jù)。

韋布由NASA、歐洲航天局（ESA）與加拿大航天局聯(lián)合負(fù)責(zé)投資與研制。和哈勃一樣的是，韋布升空后由獨(dú)立于NASA的空間望遠(yuǎn)鏡研究所管理。

按照計劃，韋布將在軌道上正常運(yùn)行10年。即使不考慮此后每年可能上億美元的運(yùn)營費(fèi)用，此前耗資已超過100億美元的韋布，每一年觀測都是用10億美元燒出來的。

作為人類有史以來最昂貴、最強(qiáng)大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，韋布必將為全人類認(rèn)識早期宇宙、第一代星系、第一代恒星、宇宙演化、太陽系外的行星、太陽系內(nèi)行星等重要課題做出突破性的貢獻(xiàn)。

我們祝愿它一路順風(fēng)，在未來的10年時間內(nèi)為人類破解宇宙、外星球與太陽系起源等眾多秘密做出輝煌的貢獻(xiàn)。

韋布的官方海報。Credit：NASA/JPL-Caltech

[1]法屬圭亞那空間中心位于南美洲東北海岸線的庫魯（Kourou），面向大西洋，緯度為北緯5度，非常有利于火箭發(fā)射，因此素有“歐洲空港”之稱。

[2]原文為“but in the near infrared”，

見：https://www.jwst./content/about/faqs/faq.html#sharp

[3]這樣的軌道被稱為“暈軌道”。此處“暈”本來與“日暈”、“月暈”這些概念有關(guān)，應(yīng)該念作“運(yùn)”；但是你要是感覺這概念讓你有點(diǎn)暈，那也不妨念為“暈倒”的暈。

[4]事實(shí)上，“（超）低溫液體直接蒸發(fā)降溫”代表了空間望遠(yuǎn)鏡的另一種制冷模式。特別是液氦，它的直接蒸發(fā)，可以將儀器的溫度降到1-2 K甚至0.1 K左右，使儀器可觀測幾百微米甚至厘米波長的輻射。由于韋布不需要觀測那么長的波長，因此也不需要用這種模式制冷。