推迟发射，值得

詹姆斯·韦伯空间望远镜（以下简称韦伯望远镜）终于到了实际发射之际——它于美国东部时间2021年12月25日升空，是迄今为止成功进入空间轨道、来自地球的最大和最复杂的望远镜。

发射韦伯望远镜的最初谋划早在1989年就已开始，但在这之后计划一变再变，发射时间也一再推迟。虽然该望远镜的核心设计在此期间改变不大，但望远镜的预定探索范围越来越宽。在等待韦伯望远镜准备就绪的多年间，浮现出一些科学大谜题。在该望远镜计划最初被提出时，科学家还不知道暗能量和太阳系外的行星（即系外行星）。对于20多年来的等待，科学家认为是值得的。

大胆设计

韦伯望远镜的设计与众不同。许多空间望远镜都只有单一的镜面，而且镜面被装在管道中以阻止阳光淹没深空微光。而韦伯望远镜6.5米宽的镜面及其科学仪器，都将暴露在宇宙真空中。网球场大小的一面多层遮阳罩，将为韦伯望远镜阻挡来自地球、月球和太阳的光线。

因为规模太大，所以韦伯望远镜被折叠放进运载火箭，进入太空后才展开镜面和遮阳罩。有人称韦伯望远镜是“折纸卫星”，这正是该望远镜与其他空间望远镜的最大不同。

一旦展开，韦伯望远镜的遮阳罩长度与网球场长度相当，由此能保护该望远镜的主镜面和次级镜面免遭太阳、地球和月球的光和热干扰。韦伯望远镜面向太阳的电池板，能把光转换成电来驱动望远镜的科学仪器。韦伯望远镜的天线将让该望远镜与地面科学家保持联络，把来自该望远镜的数据传回地球。稳定襟翼则将阻止韦伯望远镜偏离轨道。

这一基本设计20多年来没有改变。韦伯望远镜的最初提议是在1989年9月，提出者是哈勃空间望远镜（以下简称哈勃望远镜）的运营者——美国空间望远镜研究院（以下简称空研院）。当时，哈勃望远镜发射还不到一年时间，其预定任务期仅为15年。升空31年后，虽然出现了多次电脑故障和回转仪失灵，但哈勃望远镜迄今仍然很结实。

不过，当时人们没有料到哈勃望远镜能服役如此之久。因此，当时的空研院主任里卡多担忧继哈勃望远镜之后下一部空间望远镜的发射是在15年后，也就是担忧哈勃望远镜缺乏继承者，于是他和另一些人提议美国宇航局考虑哈勃望远镜的继承者问题，尤其是新的空间望远镜应该具备10米宽且对红外波长的光敏感的主镜面，由此扩大哈勃望远镜的探索范围——紫外光、可见光和近红外光。

红外光的波长比可见光长，但红外光最能让望远镜回溯时光。因为光速不变，所以观测宇宙中的遥远天体意味着看到的是它们过去的样子。宇宙正在膨胀，因此光线在到达望远镜之前已被拉伸。对于宇宙中最遥远的天体（第一批形成的星系，或第一批在这些星系中燃烧的恒星）来说，它们当初以短波长发射的光线已经一路被拉伸到红外波长。

韦伯望远镜主镜面

遮阳罩测试场景

里卡多及其合作者梦想的，正是一部能探测来自首批星系的被拉伸光的望远镜。当哈勃望远镜开始传回自己对宇宙初期的探测结果后，这一梦想变成了科学计划。哈勃望远镜所见到的遥远星系与科学家之前预计的星系模样不同，因此科学家对实际探测这些星系的兴趣更浓了。

1995年，空研院和美国宇航局发布了对哈勃望远镜继承者的一份报告。在这份由天文学家德雷斯勒主导的报告中，提出由一部镜面直径为4米的空间望远镜接替哈勃望远镜。事实上，望远镜的镜面越大，能收集的光线越多，也就能看得越远。4米的镜面直径比哈勃望远镜2.4米的镜面直径大不了多少，但望远镜镜面哪怕只大一点，发射难度也会大大提高。

1995年末，德雷斯勒与当时的美国宇航局局长戈尔丁会面。1996年1月，在美国天文学会的年会上，戈尔丁呼吁科学家们更大胆。他朝着到会的德雷斯勒喊道：“你们要求的（哈勃望远镜继承者的）镜面直径怎么这么短？為什么不要求6米甚至7米？”虽然这一更长的直径依然达不到里卡多希望的10米，但戈尔丁的这番话赢得全场起立喝彩。

6.5米的镜面直径已经是所有空间望远镜直径之最，现有运载工具从未装载过这么大的望远镜，而且也装不下。因此，科学家必须要让该镜面折叠，在进入太空后才展开。该望远镜必须通过向太空散热来被动地给自己降温，还需要一面很大的遮阳罩。就这样，“折纸卫星”计划诞生了。2002年，这部空间望远镜被命名为詹姆斯·韦伯。这其实是1961—1968年期间美国宇航局局长的名字。

戈尔丁在美国宇航局内部有句名言：“更快、更好、更便宜。”韦伯望远镜肯定更大，但它预算惊人，且发射一拖再拖。到2010年末，该计划的预算额已经比最初的51亿美元超支14亿。还要再过5年，该计划才准备就绪。到了今天，该计划的成本据估计已接近100亿美元。

韦伯望远镜计划曾差点被美国政府否决。该望远镜的发射时间曾被定为2018年10月，但在2017年，发射时间被推迟到2019年6月。2018年，发射时间被两度推迟，先是推到2020年5月，然后推到2021年3月。被一再推迟的部分原因是装配和测试望远镜的时间长度超过美国宇航局预期，其他原因包括工作失误（例如清洗剂选择不当，导致推进系统的阀门受损）和疫情等。虽然一推再推，但反而成为一件幸事。为什么呢？

韦伯望远镜将对大多比可见光波长和哈勃望远镜可观测波长更长的波长实施观测，但不如斯皮策空间望远镜的观测波长长。红外视野让望远镜能观测到很远的距离，能透过尘埃云去观测

年龄争端

在当初提议建造哈勃望远镜继承者的报告中，德雷斯勒提出的新望远镜的第一个科学目标是：详尽研究像银河系这样的正常星系的起源和演化。而这个目标迄今仍是一个梦想。

韦伯望远镜将观测宇宙大爆炸之后仅4亿年时的星系和恒星模样。科学家曾经提出，在这个时期，首批微型星系诞生，点亮了宇宙，从而让今天的我们可看见当时这些古老恒星发出的光。

韦伯望远镜将从太空中一个稳定点——距离地球150 万千米的L2 开始环绕太阳。该望远镜将在升空后花1 个月时间来到达L2 并展开遮阳罩和镜面。遮阳罩将始终面朝地球和太阳，不让后两者的光和热影响望远镜的科学仪器。一旦到达L2，韦伯望远镜将花另外6 个月来启动和测试自己搭载的科学仪器，之后将开始收集数据

但到了20世纪90年代，科学家遇到了一个大问题：测量得到的宇宙的年龄比科学家们所看见的一些星系所表现出来的年龄要小。也就是说测得宇宙年龄为4亿多岁，而当时的标准宇宙学观点是：宇宙的年龄应该为80亿到90亿岁。更有甚者，银河系中一些恒星的年龄看来就已有140亿岁。那不成了你比你奶奶的年龄还大？这怎么可能？

1998年，两个科学团队证明宇宙正以越来越快的速度膨胀。一种被称为暗能量的神秘物质（根据爱因斯坦质能方程，能量就是物质）可能一直在推动宇宙加速膨胀。这种加速膨胀意味着宇宙年龄比科学家之前认为的更大。目前对宇宙年龄的估计值是138亿年。如果这个估计值正确，那么前述的悖论就不复存在。发现暗能量，同时也扩展了韦伯望远镜的探索范围。

用干冰测试镜面

暗能量

这里需要先讲讲宇宙学测量结果不匹配的根源。至少从2014年以来，宇宙膨胀率（即哈勃常数）的不同测量方法一直在给出不同的结果。有人说，这是今天宇宙学中最大的问题，而问题的根本是：这种不匹配究竟是不是真的？如果是真的，就对宇宙历史和暗能量的本质将有深入的揭示。然而，这种不匹配也可能是假的，是由于测量的差错所致。

韦伯望远镜可能将有助于解决这类争议。确定哈勃常数的一种常见方法，是测量遥远星系的距离和速度。测量宇宙距离的难度很大，但科学家可以用已知亮度的天体（即所谓的“标准蜡烛”）来估计宇宙尺度的距离。如果天体的实际亮度已知，就可以根据从地球上看去的该天体的亮度来计算该天体与我们的距离。

把超新星和被称为造父变星的亮度可变恒星作为标准蜡烛，有科学家算出的哈勃常数值为74，即相距300万光年的两个天体，彼此在以每秒74千米的速度远离。而把红巨星作为标准蜡烛，又有科学家算出这一数值是69.8。还有科学家利用大爆炸后仅38万年时发出的微弱光（即宇宙微波背景辐射）作为标准蜡烛，算出的这个数值更小——67.4。虽然这些数值看起来彼此接近，但它们之间的偏离度完全有可能改变我们对宇宙演化历程的认识。因此，这一偏差被称为宇宙学中的一大危机。

在升空后第一年，韦伯望远镜将运用三种天体（造父变星、红巨星和碳星，碳星是一类晚期恒星，其大气层内的碳比氧多）作为标准蜡烛，观测上述超新星研究中采用的星系。该望远镜还将采用一个遥远的引力透镜星系来测量哈勃常数。把这些测量结果与哈勃望远镜的类似测量结果对照，将证明是之前的测量结果有误，还是测量差异真实存在。

系外行星

对韦伯望远镜探测范围来说，最大的改变可能要算系外行星（太阳系之外的行星）探测。当韦伯望远镜计划最初被提出时，系外行星还鲜为人知。而现在，系外行星是宇宙学中最大的话题之一。

哈勃望遠镜主镜面与韦伯望远镜主镜面比较

德雷斯勒报告中对哈勃望远镜继承者的第二个要求是：能探测环绕其他恒星的类地球行星，以及在这些行星上搜集生命可能存在的证据。而回到1995年，当时所知的系外行星数量极其有限，而且这些行星都是温度极高、和地球完全不同的气态巨行星。

自那以后，科学家已经发现了数千颗遥远的系外行星。科学家估计，天空中我们所见的每一颗恒星都有至少一颗行星环绕，其中一些是个头不大的岩石行星，它们的表面温度支持液态水的存在，甚至支持生命的存在。

许多系外行星都是在它们经过其母恒星前方从而阻挡了母恒星的一点点星光时被发现的。科学家立即意识到，如果这些行星拥有大气层，一台灵敏的望远镜就可通过检测经过大气层过滤的恒星光来“嗅”出行星的大气特征。

哈勃望远镜以及在2003年发射的斯皮策望远镜，都已开始这方面探测。但斯皮策望远镜在2009年用完了冷却剂，因而已经无法测量系外行星大气层中的重要分子。而对于探测可能表明外星生命特征的一些波长的光来说，哈勃望远镜的灵敏度是不够的。

而这正是韦伯望远镜能大展身手的地方。如果说哈勃望远镜能看透门缝，韦伯望远镜则能打开大门。更重要的是，对于系外行星大气层中可能表明生命迹象的多种含碳分子来说，哈勃望远镜不灵敏，而韦伯望远镜很灵敏。事实上，哈勃望远镜不能分辨碳、一氧化碳、二氧化碳和甲烷，而韦伯望远镜能。

要是韦伯望远镜在2007年就发射，就可能错过系外行星探测。就算第一批凌日（行星从恒星前方经过）系外行星是在1999年被发现的，但此后十年中發现的系外行星数量也很少。既然系外行星数量很少，也就轮不上韦伯望远镜去探测。

2009到2018年，美国宇航局的开普勒空间望远镜发现了数千颗凌日行星。但这些行星太遥远，光线太弱，当时的韦伯望远镜设计不足以让该望远镜探索它们的大气层。所幸该望远镜发射又被推迟了几年。2018年4月，美国宇航局发射凌日系外行星巡天卫星，该卫星的职责是发现环绕附近最亮恒星的行星。这些行星将为韦伯望远镜提供探测大气层分子的最佳目标。

如果韦伯望远镜在2018年就被发射，它就必须等几年让凌日系外行星巡天卫星选出最佳目标。而韦伯望远镜的发射被一推再推，反而让它能在升空后立即探测这类目标。它将探测的首批目标中，包括科学家推测最可能存在生命的一些系外行星。事实上，科学家需要调查环绕个头较小、温度较低的M型矮星的行星，以确定这些行星是否拥有大气层。迄今为止，科学家对这个问题依然争论不休。

通过观测在行星正面经过其母恒星时母恒星发出的光线，韦伯望远镜将测量系外行星大气层的组成。大气层中的原子和分子（例如钠原子和钾原子）会吸收特定波长的恒星光，从而在到达韦伯望远镜的探测仪的光谱中留下独特的“指纹”

就算在这些系外行星上发现了生命迹象，这些发现也必将受到争议。毕竟，环绕M型矮星的行星根本不能与地球同日而语，因为不管是这些行星本身还是其母恒星都与地球和地球的母恒星——太阳完全不同。所以，韦伯望远镜肯定会给我们寻找地外生命带来帮助，但对外星生命的探索可谓尚未起步。

寿命有限

在部件组装、测试和折叠好之后，韦伯望远镜从美国出发，经由巴拿马运河运抵法属圭亚那的发射场，由阿丽亚娜5型火箭运载升空。

韦伯望远镜升空之时，自然是一些科学家怀旧之时，但科学家更需要快马加鞭想好下一步的工作。哈勃望远镜因为有宇航员维护，才得以延长寿命几十年。而韦伯望远镜到达太空中指定地点后不仅距离地球太远，因而不可能派宇航员维护它，而且携带的燃料只够用5～10年。也就是说，韦伯望远镜的寿命最多也只有10年。当燃料耗尽后，它将进入一个偏远的绕太阳轨道，从此与我们永别。

“待字闺中”的韦伯望远镜

韦伯望远镜地面出发