“迟到”了14年的韦布望远镜，到底有多强？

毛新愿

2021年12月25日，这注定是人类航天史的历史性时刻——本来计划2007年就发射升空的詹姆斯·韦布太空望远镜（以下简称“韦布望远镜”），在经历无数次“推迟发射”后，终于搭乘欧洲太空局的阿丽亚娜5-ECA火箭成功升空，开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。是的，你没听错，如果从这项计划被提出的1996年算起，这台耗费了巨资的空间望远镜，足足花费了25年的时间才姗姗来迟，这么漫长的等待，值得吗？

迄今为止全世界最贵望远镜，究竟有多贵？

韦布望远镜的建造计划始于1996年，此时著名的哈勃太空望远镜正是“年轻力壮”的时候，它陆续获得的突破性发现让天文学家们有了更“非分”的想法——如果造一台比“哈勃”看得更远、更暗、更清楚的太空望远镜并送入太空，是不是能取得更震撼的科研成果呢？于是，20个国家和地区组织持续25年的投入和数万名科学家的倾力合作，造就了这个史上制造单价最贵的航天器。起初，这个项目的预算是5亿美元，计划到2007年发射升空。但后来的事情我们都知道了：时间越来越长，望远镜也越来越贵……

貴到了什么程度？

目前，包括后续的运营和科研费用，韦布望远镜的总经费预计已超过100亿美元。考虑到它的质量仅为6.5吨，也就意味着它的单价超过人民币10000元/克，是黄金单价的20余倍！

韦布望远镜究竟有什么样的“过人之处”，能让这么多国家和地区组织倾注如此大的人力、物力、财力在它上面？它又能为人类带来什么呢？

贵有贵的道理——卓越的观测能力远超前辈

宇宙是个充斥着各种电磁波和高能粒子的“喧闹”世界，那里既藏着遥远的历史，也昭示着人类乃至整个太阳系的未来。

人类设计太空望远镜，主要是去观测可见光到红外线频段，尤其是追踪宇宙大爆炸后残留的红外线。这些红外线已经在宇宙中传播了138亿年，蕴藏着宇宙最初的奥秘，令天文学家们无限神往。

然而，地球大气层、磁场、人类活动等因素，却使得地球成了一个典型的“信息茧房”。在广阔的电磁波频段中，只有极小一部分能顺利抵达地球表面并被望远镜观测到，其他的则几乎都被屏蔽在外。

解决这个问题的办法只有一个：把望远镜送到太空里去。

不同望远镜的使命也不同，这次被送出地球的韦布望远镜观测频段主要集中于波长为0.6微米—28.3微米的橙色光到红外线频段，由于口径更大，并采用了一系列新技术，它获得了远超前任哈勃、施皮茨、赫歇尔等知名太空望远镜的观测能力。比如说，它能够看到更暗、更古老的天体，甚至可以追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹，投入工作后将会极大地推进人类红外天文学的相关研究进程。

前所未有的造价和划时代的意义，也让这架望远镜“荣幸”地以NASA第二任局长詹姆斯·韦布的名字来命名。詹姆斯·韦布于1961—1968年在任，领导NASA取得了很多成就。在这一时期，NASA曾获得空前绝后的资金支持，不仅推动了水星计划、双子座计划、阿波罗登月计划、先锋计划、水手/旅行者计划等一系列大型项目的开展，也为美国在航空航天领域的人才技术优势打下了坚实基础。

造价100亿美元，这些钱都花在了哪里？

虽然100亿美元看起来很多，但实际上对于研制韦布望远镜这样的顶级望远镜项目来说，并不算非常宽裕，至少不是大家想象中的钱想怎么花就怎么花。没办法，前沿科学研究就是这么烧钱。为了获得更好的观测能力，韦布望远镜在各个方面都进行了升级、更新，可以说每笔钱都用在了刀刃上。

1.更大口径的镜片

光学和红外望远镜的核心是镜片，它们的口径与观测能力成正比，但更大的口径同样意味着更高的成本。相比哈勃望远镜，韦布望远镜的镜面口径从2.4米提升到了6.5米，集光面积也从4.5平方米攀升到了25.4平方米。

需要注意的是，口径增加带来的整体难度和造价提升并不是线性增长的，光是这一项就直接决定了韦布望远镜的预算远超哈勃望远镜。

这么大的镜面几乎很难整体制造——不仅失败风险大、材料成本极高，而且势必也会带来整体质量和体积的攀升，甚至远超人类现有火箭的发射能力。因此，韦布望远镜的镜面设计选择了拼接方案，由18面一模一样的六边形镜面组成，发射时折叠起来，进入太空后再拼接到一起。

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2.堪称“鬼斧神工”的镜面材料

韦布望远镜在制造、发射和工作时要面临截然不同的温度环境。特别是它的核心器件工作温度已非常接近绝对零度（-273.15℃），对镜面材料的要求极高，需要同时具备抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、反射率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等特点。

而在精度要求上，最后镜片成型的制造加工精度要达到10纳米级别，这个要求所允许的误差相当于一张A4纸厚度的万分之一！在进入太空后，整体拼接和镜面姿态控制的精度也要达到同等水平。

综合上述要求，韦布望远镜的镜面主要材料选择了碱土金属铍，10纳米几乎就是几十个铍原子并排摆在一起的宽度，这是接近“鬼斧神工”级别的制造加工工艺要求。

3.一把屏蔽热量的“太阳伞”

远离地球，不代表能彻底摆脱地球的干扰，韦布望远镜还要面对太阳光和地球反射光/热辐射的干扰。为此，它需要背上一个大大的“太阳伞”来屏蔽热量，并使用主动冷却系统维持核心部件接近绝对零度的工作环境。

按照设计要求，这把伞需要提供300℃以上的温度屏蔽效果。这相当于一面是高温油炸，另一面却是冰天雪地。五层遮阳板的每一层材料主要由聚酰亚胺、硅膜和铝膜组成，最厚的首层也仅有50微米，比人类头发丝的直径还小，而中间层仅有25微米厚。

更大的难点还在后面——这把“太阳伞”如何顺利展开？

“太阳伞”每一层的面积约300平方米，在发射时会被塞进火箭里。经过剧烈振动进入太空后要在激光引导下让100余个小型机械装置带着逐层展开，难度可想而知。这无疑是人类历史上最高科技的一块遮阳板。

韦布望远镜的每一个部件都需要最先进的科技，且研发出来后都是“孤品”：既没有备份，也不会量产，必须保证100%成功率。除此以外，每个部件还要经过一系列极高成本的测试和维护。这些因素累加在一起，让韦布望远镜的预算迅速攀升。

看似一再推迟，其实是必须一次成功的魄力

我们都知道，哈勃望远镜虽然远在太空中，但也仅离地球表面大约575千米，可以说“紧挨”着地球。那韦布望远镜为什么不能像哈勃望远镜一样，在离地球近一些的地方工作呢？

这是因为地球和所有的物体一样都是热源，在源源不断地往外反射阳光和辐射红外线。另外，在地球附近也会不可避免地存在逃逸的空气分子和星际尘埃，对太空望远镜依然有一定影响。对于更加精密的韦布望远镜来说，这些影响尤其明显。所以，科学家们想尽办法把它推离它的诞生地——地球。

然而，远离地球后，并非就完事大吉了。进入错综复杂的引力世界，航天器将受到太阳、地球、月球，乃至宇宙万物的引力影响，这使得它的轨道很难稳定下来。对于质量和体积都很大的望远镜而言，如果频繁地依靠发动机工作维持轨道，就必须要在发射时携带大量推进剂，那样就会极大地影响观测质量。

因此，权衡利弊后，科学家们选择了引力平衡的“日-地拉格朗日2点”作为韦布望远镜的工作地点。这里距离地球约150万千米（月球距离地球不过38万千米），远离了地球这个热源和灰尘源的干扰，温度也在-220℃以下，可滿足望远镜的整体工作温度环境要求。此外，在“日-地拉格朗日2点”，太阳和地球两大引力源和谐共处，共同牵引韦布望远镜围绕太阳稳定运动，航天器所需要的轨道维持成本极低。

不过，这给韦布望远镜带来了另一大挑战：这么远的距离，一旦它出了任何问题，人类是不可能去维修的。这也意味着它变成了一锤子买卖，必须一次性成功，不能有任何失误。这和哈勃望远镜形成了鲜明的对比。当年“哈勃”升空后出现了一系列问题，于是在1993至2009年间，人类通过五次极其昂贵的航天飞机任务不断维护并升级“哈勃”，才使得它能够取得今天举世瞩目的成就。

如今，航天飞机已经彻底退役，人类也失去了在太空中维修大型航天器的能力。不过，即便航天飞机再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2点”。毕竟，“哈勃”的工作地点距地球不过500多千米远，而韦布望远镜与地球的距离是它的几千倍。这是韦布望远镜不断推迟发射的重要原因——一旦发射，就再也没办法维护了。

所以，对于负责火箭发射的欧洲太空局而言，这次发射的成功毫无疑问算是开了个好头，发射团队紧绷了数年的神经终于可以好好放松一下了。毕竟这个100多亿美元的一锤子买卖，背后有着无数人几十年的努力。

探索宇宙之路的新一步

韦布望远镜是人类最顶级智慧的结晶。也许很多人会关注它的经费，感慨前沿科学研究太烧钱了，但是，我们更应该认识到，我们为前沿科学付费，其实是在为人类上下求索的决心与梦想付费，如此看来，这价格也不能说是昂贵。

未来，韦布望远镜会给人类带来什么？可以预知的是，它能更容易探寻到宇宙的边界和诞生之初的奥秘;无法预测的是，科学家们将在它的数据里获得何等惊人的发现。它是人类梦想向宇宙深处的又一次延伸，是人类好奇心与探索精神的承载，是人类在探索世界的路上迈出的新的一步。让我们祝福它在远航的路上一切顺利，期待它为我们发现更远的世界！D2357F07-1EC1-47E7-916D-2212900B0125