“鸽王”传说：詹姆斯·韦布空间望远镜

唐鸿洋

它是迄今人类所建造的最昂贵、最复杂的天文仪器。耗资近百亿美元的它，可以看到宇宙中的第一缕光，并为人类揭示恒星演化的秘密。

它也是名副其实的“鸽王”，发射日期最初预计是2007—2011年，因经费和技术问题推迟到2014年，再推迟到2018年、2019年，直至2021年末。多年来“江湖”上一直流传着它的传说。

它便是詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，以下简称韦布望远镜）。韦布望远镜是美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）的国际合作项目，由300多所大学、研究机构以及相关公司的数千名工程师和数百名科学家共同完成。

韦布望远镜的基本信息

总有效载荷质量：约6200千克，包括科学仪器、在轨消耗品等

主镜口径：约6.5米

主镜通光口径面积：25平方米

主镜材质：由18个子镜拼接构成，均为铍镜

主镜总质量：705千克（单个铍子镜质量为20.1千克，含支撑结构等为39.84千克）

焦距：131.4米

工作波段：0.6～28.5微米

遮阳罩尺寸：21.197米×14.162米

运行轨道：距地球150万千米的拉格朗日L2点

工作温度：小于50K（约-223℃）

工作时间：预计5～10年

它的历史，从32年前说起……

从提出构想到真正发射升空，韦布望远镜走过了几十年的历程，经费也从数亿美元膨胀到近百亿美元。

1989年，美国空间望远镜研究所（STScL）举行了一场研讨会，主题是讨论当时尚未升空的哈勃空间望远镜（HST）的继任者。与会者认为，HST的继任者—“下一代空间望远镜（NGST）”应可以观察中红外光谱区域。此时，NGST还不叫韦布望远镜。

1990年，来自美国国家科学院、工程院和医学院的“十年调查”报告提出，NGST应该是口径为6米级的制冷型红外空间望远镜，而之前STScL研讨会认为它的口径应为10米级。1995年，因预算问题，NGST主镜的尺寸被定为4米。1996年，NGST的口径又被增加到8米（HST的口径是2.4米）。为了将其塞进运载火箭中，NASA提出采用可分段折叠的主镜结构，并宣布NGST将于2007—2011年发射，项目经费从10亿美元上涨至35亿美元。

2002年，NASA根据调研情况，选择与美国TRW公司合作。同年8月14日，NGST被命名为“詹姆斯·韦布空间望远镜”，以纪念NASA第二任局长和阿波罗计划的主要发起者—詹姆斯·韦布。

十几年中，韦布望远镜不仅名字变了，“模样”也变了很多次，直到21世纪以后，韦布望远镜才变得与现在的“模样” 相近。

2004年，科研人员开始制造韦布望远镜的一些零件。此时，韦布望远镜的经费已经达到65亿美元，占据了NASA的全部预算，导致NASA很多其他项目被取消或推迟。例如2003年提出的WFIRST望远镜项目，该望远镜的目的是用来寻找更适合人类居住的行星。

2010年，韦布望远镜的关键任务通过审查，这意味着它将有能力完成预期设定的所有科学任务。但好事多磨，2011年韦布望远镜项目险些被腰斩。由于耗资巨大，美国国会打算取消该项目，但科学界的大力支持让美国国会做出妥协，并为韦布望远镜设定了80亿美元的经费红线，同时将发射推迟至2018年。后来又推迟至2019年、2021年，经费也早已越过80亿美元的红线。

2012年，主镜和支撑结构制造完成，此时主镜口径最终确定为6.5米。2014年，开始制造遮光罩，燃料仓、陀螺仪、太阳能电池板等。一年后，韦布望远镜的18个子镜连同支撑杆被安装在背板上。

2016年，韦布望远镜的所有部件开始组装。

韦布望远镜的发射

韦布望远镜发射后需要约27天的时间到达日—地拉格朗日L2点。

第一个小时：从法属圭亚那航天发射场起飞，由阿丽亚娜5号运载火箭推进26分钟。当二级发动机关闭后，韦布望远镜将与阿丽亚娜5号分离，并且在几分钟内转变为利用太阳能电池阵列供电，很快便会完成空中定位以及飞行准备。

第一天：将使用自身搭载的小型火箭发动机进行第一次轨道修正，此外还会布置高增益天线以便实现数据传输。韦布望远镜有两种类型的火箭推进器；一种称为二次燃烧增强推进器（SCAT），使用肼和四氧化二氮作为燃料和氧化剂，用于轨道校正；另一种推进器称为单组元火箭发动机（MRE-1），只使用肼作为燃料。gzslib202204041027

第一周：重点是进行第二次轨道修正，随后展开遮阳罩，在此期间还要进行望远镜其他部分展开的布局。

第一个月：重点是进入L2轨道并设置望远镜，包括镜体展开和冷却、科学仪器的开机。冷却时间通过电热装置控制，防止骤冷引起设备故障，让内部残留的水可以气化逸出，防止镜面结冰。

之后五个月：第一个月的月末将进入L2最佳位置，并利用5个月时间校正光学器件共焦和校准科学仪器。

第六个月末：仪器校准和调试完成，开始真正的科学观察。

2019年，所有科学设备集成完毕。

2021年初，望远镜通过了测试，并准备在2021年末进行发射。

2021年末，“千呼万唤始出来”的韦布望远镜本来预告在12月22日发射，结果由于天气原因又推迟到25日，这真是“鸽王”最后的倔强。

迟了这么久，它“过时”了吗

虽然韦布望远镜一再“放鸽子”，但是人们对它还是充满期待，因为它仍保持着非常先进的技术并搭载着极具创新性的设备。

第一看其拼接型的主镜。主镜口径达6.5米，为了能将其塞进火箭中而設计成了部分折叠的形式。子镜设计为六边形，不仅保证了填充效率还具有高对称性，只需设计三种子镜面形即可。进入轨道后，主镜会重新展开，工程师利用红外相机对已知恒星拍照，通过对比18个子镜各自成像的情况，利用计算机算法将主镜调整共焦。

为了保证对微弱红外光的反射率，镜面需要镀上一层厚度（0.1微米）均匀的金薄膜，并且冷却到极低的温度，防止镜体自身对光的吸收以及自身辐射的红外线淹没了目标光信息。

第二看其工作地点。在18世纪，拉格朗日解决了“三体问题”，即三个物体互相围绕旋转而保持相对位置不动的布局。这个问题最终有5个解，即左图所示的L1—L5这5个拉格朗日点。在这5个点上，两个大质量物体提供的引力，恰好可以维持第三个物体圆周运动所需要的向心力。韦布望远镜将在L2点附近工作，只需要很小的推进力即可保持在工作轨道上。

第三看其遮光罩，能让望远镜保持极低温度的秘密武器就是这个遮光罩。它由5层被称为“Kapton”的聚酰亚胺薄膜材料构成，每一层都涂有铝，靠近太阳的第一层和第二层还涂有掺杂硅，可以在-269℃～400℃的范围内保持稳定。遮光罩采用热点粘合（TBS）工艺无缝拼接，如果出现撕裂，该工艺可以防止撕裂口延伸到其他区域。遮光罩的降温效果十分优秀，韦布望远镜工作时，面向太阳一面的温度将达到110℃，而到了第五层时最低温度可达到-237℃！此外，为了平衡光压，保证韦布望远镜的姿态，遮光罩在设计时还有力学方面的考量。

四大关键科学仪器

韦布望远镜搭载了4个关键科学仪器：近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪（FGS/NIRISS）。

近红外相机是韦布望远镜的主要成像设备，由亚利桑那大学和洛克希德·马丁公司制造。其工作波段为0.6～5微米。它所搭载的10个碲汞镉（HgCdTe）探测器阵列将用来发现处于形成时期的恒星和星系、观测星系中的恒星数量以及银河系和柯伊伯带天体中的年轻恒星。gzslib202204041027

近红外光谱仪由ESA提供，覆盖波段0.6～5微米。通过红外光谱不仅可以“看出”物体的温度等物理信息，还可以分析目标的化学组成。由于光线微弱，韦布望远镜需要“盯着”目标数百个小时积累光能。所搭载的微快门阵列使其可以同时观察100个目标以提高效率，因此成为太空中第一台具有如此非凡能力的科学仪器。

中红外仪器具有相机和光谱仪的功能，由欧洲和美国多个研究机构合作完成，工作波段为5～28微米。它的相机模块具有极高的灵敏度，可探测到微弱的光并提供宽视场图像；光谱仪模块搭载3个掺砷硅（Si：As）探测器阵列，可在小视场内提供中等分辨率光谱和观测信息。

近红外成像仪和无缝隙光谱仪由CSA制造，针对不同的波长范围有不同的工作模式；精细制导传感器将结合星敏感器，确保韦布望远镜能够精确地长时间指向观察目标，收集足够的光能，得到高质量的图像。

上天之后，它会看到什么

由于宇宙的膨胀，物体之间的空间被拉伸，这导致136亿年前宇宙中第一批恒星发出的光到达太阳系时会发生很强的“红移”，即光的波长相对于它发出时变长了。可以预计，宇宙中最初的恒星发出的紫外光和可见光已经变为近红外和中红外光。宇宙中的红外望远镜能够发现它们。

如果谱线红移波长是原有波长的2倍，则称为1倍红移；如果谱线红移波长为原有波长的3倍，则称为2倍红移。韦布望远镜可观测15倍红移的光（紫外光已经变为中红外光），确保它有足够的实力还原宇宙中诞生第一颗恒星时最初的模样！

此外，韋布望远镜还可以帮助我们研究星系的形成。20世纪初期，人们认为宇宙就是银河这座孤岛，在其外只是零星的模糊亮斑。1923年，美国天文学家埃德温·哈勃在仙女座中观测到了一颗有规律的明暗变化的恒星，判断出它距离银河系很远，是一个独立的星系。这一发现如哥白尼提出“日心说”般，让人类重新认识到宇宙的浩瀚。

星系所呈现出的各种形状，一般被认为是近10亿年前星系之间相互干扰和合并造成的。哈勃空间望远镜已经拍到了一些星系模糊的形状并整理得到了一些规律。作为继任者，韦布望远镜将会更清楚地看到种类繁多的星系。

韦布望远镜的另一类重要任务是研究系外行星的大气层并寻找其他可能有生命存在的行星。通过光谱学研究，我们可以推测目标的颜色、四季变化、植被和天气等信息（如果有的话）。

韦布望远镜同时也将利用光谱学技术，通过分析对比不同物质独特的光谱线，了解太阳系中天体的化学组成，更详细地解读“人类的家园”。

韦布望远镜现在已经顺利进入L2工作点，并且正在进行子镜对焦和共相工作，期待此后的工作一切顺利。