北京時(shí)間12月25日20時(shí)20分，在世人的矚目下，數(shù)千名科學(xué)家與工程師花費(fèi)20余年精心設(shè)計(jì)與建造的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，終于在庫魯航天發(fā)射中心使用阿里安-5大型運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

阿里安-5火箭攜帶“韋伯”升空

如果你站在直徑6.5米的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡前，一定不敢大聲喘息。這部望遠(yuǎn)鏡擁有18片一塵不染的鍍金主鏡片、5張薄如蟬翼的聚酰亞胺隔熱罩、低至-223攝氏度的工作溫度和97億美元的制造成本。它是人類迄今為止制造的最大、最復(fù)雜、最強(qiáng)勁、最具有想象力的太空望遠(yuǎn)鏡，簡稱JWST。

阿里安-5火箭攜帶“韋伯”進(jìn)入太空想象圖

“韋伯”標(biāo)志性外觀——18片六邊形鍍金鈹鏡組成的主鏡

“韋伯”部署后可以替代年事已高的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。與專注于可見光波段的“哈勃”不同，“韋伯”可以看到波長更長的中紅外波段，同時(shí)具有更高的靈敏度與分辨率。它可以看到宇宙中最久遠(yuǎn)的事件和最遙遠(yuǎn)的物體，并在天文學(xué)和宇宙學(xué)研究前沿大放異彩，對(duì)推動(dòng)整個(gè)人類社會(huì)的進(jìn)步有著重大意義。

光學(xué)設(shè)計(jì)：盡帶黃金甲

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊(OTE)是“韋伯”的主要結(jié)構(gòu)之一，由望遠(yuǎn)鏡的主鏡、次鏡、三級(jí)反射鏡、精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡、望遠(yuǎn)鏡框架及其控制裝置等結(jié)構(gòu)組成。OTE好比整個(gè)“韋伯”的眼睛，其原理是三鏡消像散望遠(yuǎn)鏡：光線首先由主鏡匯聚并反射給次鏡，次鏡進(jìn)一步將光線傳遞給處于望遠(yuǎn)鏡中心的三級(jí)反射鏡，而后經(jīng)過精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡傳遞給綜合科學(xué)儀器模塊進(jìn)行光線的接收與處理。  

“韋伯”光路示意圖

“哈勃”與“韋伯”主鏡對(duì)比示意圖

“韋伯”最吸人眼球的是那18面金光閃閃的六邊形主鏡。這是一面直徑6.5米的鍍金鈹質(zhì)反射鏡，總面積達(dá)到25.4平方米，是“哈勃”的6倍以上。對(duì)望遠(yuǎn)鏡來說，口徑即真理，“韋伯”的觀測(cè)能力與“哈勃”相比有巨大提升。“哈勃”拍攝著名的“超深場”圖像時(shí)，一動(dòng)不動(dòng)地指向太空中同一個(gè)地方，連續(xù)拍攝了16天才捕捉到那令人難以置信的微弱、遙遠(yuǎn)星系的圖像。與之相比，“韋伯”將在短短7小時(shí)內(nèi)完成類似的觀測(cè)任務(wù)。

“哈勃”超深場圖像是人類拍攝過迄今為止最久遠(yuǎn)宇宙的照片，其中有132億年前的古老星系。“韋伯”將會(huì)拍出更加震撼的圖像。

質(zhì)量方面，“韋伯”的總重約6.5噸，只有“哈勃”的一半，但體積卻比“哈勃”有明顯提升。其中,“哈勃”主鏡為玻璃材質(zhì)，總重828公斤，而“韋伯”則選用了元素周期表里第四個(gè)元素——金屬鈹，它具有極低的密度，使巨大的主鏡重量只有705公斤。

此外，鈹還有硬度較高、熱膨脹系數(shù)較低等優(yōu)點(diǎn)，使“韋伯”能夠勝任工作條件下巨大的溫差，而不會(huì)產(chǎn)生過多的熱脹冷縮?！绊f伯”的鈹鏡表面利用氣相沉積技術(shù)噴涂了100納米厚的金層，盡顯奢華，因?yàn)榻鹂梢院芎玫靥岣呒t外光反射率，起到更好的成像效果。最后，工程師在金層外面又噴涂了一層極薄的二氧化硅，以防止柔軟的金層被劃傷。

2012年，技術(shù)人員正在檢查其中一片主鏡

左：2011年，準(zhǔn)備進(jìn)行低溫測(cè)試的前六片主鏡
右：2017年，準(zhǔn)備進(jìn)行低溫測(cè)試的OTE模塊

對(duì)主鏡的設(shè)計(jì)與建造是整個(gè)“韋伯”工程中最具挑戰(zhàn)性的。主鏡展開后寬達(dá)6.5 米，如果把它做成一面單獨(dú)的大鏡子，對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)載火箭來說均太大了。因此，工程師將主鏡分割成18塊正六邊形，在發(fā)射前折疊放入火箭整流罩，發(fā)射后再展開，異常精巧，是合理利用火箭整流罩空間的設(shè)計(jì)典范。

因?yàn)橹麋R展開后的精度對(duì)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)能力有巨大影響，如何保證展開后的精度是主鏡設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。換句話說，18片獨(dú)立的鏡片在展開后要渾然一體。對(duì)此，工程師為每一塊鏡片設(shè)計(jì)了6個(gè)電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)(致動(dòng)器)，使每塊鏡片均能單獨(dú)調(diào)整角度，最高調(diào)整精度甚至達(dá)到了10納米，這一尺寸大約相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的一萬分之一?！绊f伯”發(fā)射后，近紅外相機(jī) (NIRCam) 的波前傳感器會(huì)測(cè)量每一片主鏡的誤差，進(jìn)而利用計(jì)算機(jī)算法實(shí)現(xiàn)每一塊鏡片的自動(dòng)調(diào)整。

“韋伯”的次鏡、三級(jí)反射鏡的材質(zhì)與主鏡相同，均為鍍金鈹鏡。其中次鏡是一個(gè)直徑74厘米的圓形曲面，三級(jí)反射鏡則是一個(gè)更小的不對(duì)稱六邊形鏡片。光線經(jīng)過主鏡、次鏡、三級(jí)鏡的反射后，由精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡進(jìn)一步穩(wěn)定圖像，傳遞給綜合科學(xué)儀器模塊中的四個(gè)主要科學(xué)載荷，對(duì)光線進(jìn)行分析與處理。

工程師使用干冰清潔次鏡 

三級(jí)反射鏡和精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡

軌道及熱控設(shè)計(jì)：寒光照鐵衣

體溫槍的原理是測(cè)量人體發(fā)射出紅外線的強(qiáng)度，因?yàn)槲矬w的溫度越高，向四周輻射出的能量就越強(qiáng)，輻射出來的紅外線就越多。如果“韋伯”的工作溫度過高，它的鏡片等結(jié)構(gòu)自身也會(huì)發(fā)射出紅外線，遮蓋住來自遙遠(yuǎn)星系的微弱紅外光。因此，“韋伯”的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊需要在-223攝氏度以下的極端低溫中工作。

在太空中對(duì)探測(cè)器影響最大的熱源是太陽，遠(yuǎn)離太陽便可以降低太陽的輻射量，但過遠(yuǎn)則會(huì)影響太陽能電池板的正常電力供應(yīng)，并且降低對(duì)地通信速率?？茖W(xué)家與工程師找到了一個(gè)熱量與電源的絕佳平衡點(diǎn)——拉格朗日L2點(diǎn)。

地球與太陽形成的穩(wěn)定體系中存在5處引力平衡點(diǎn)，“韋伯”便選擇了日地拉格朗日L2點(diǎn)作為大本營。只需要微量的擾動(dòng)，該望遠(yuǎn)鏡就可以長期穩(wěn)定在L2點(diǎn)附近。在此處，“韋伯”可以將陽光全部“拋于腦后”，將鏡面對(duì)向沒有太陽的天空。

“韋伯”軌道示意圖，天體大小未按照真實(shí)比例  

日地拉格朗日L2點(diǎn)距地球約150萬公里，在此處來自太陽、地球與月球的紅外線依舊會(huì)對(duì)紅外觀測(cè)產(chǎn)生影響。為使望遠(yuǎn)鏡溫度進(jìn)一步降低，科學(xué)家使出了渾身解數(shù)——2003年發(fā)射的斯皮策空間紅外望遠(yuǎn)鏡也運(yùn)行在L2點(diǎn)，同時(shí)使用昂貴的液氦作為制冷劑，其溫度低至-267.7攝氏度。但是，有限的液氦在2009年5月就用完了，導(dǎo)致其工作溫度不斷上升，此后的觀測(cè)性能大打折扣。

展開后的五層菱形隔熱罩

為實(shí)現(xiàn)更長的使用壽命，“韋伯”并未使用液氦作為制冷的主要手段，而是攜帶了五張網(wǎng)球場大小的菱形聚酰亞胺隔熱罩。每張隔熱罩厚度與人類的頭發(fā)直徑相近，離太陽最近的層厚0.050毫米，其他層厚0.025毫米。

為提高薄膜的反射率，以將更多熱量反射出去，隔熱罩正反面均附有一層100納米厚的鋁，離太陽最近的兩層還摻雜了硅，這是這兩層材料顯現(xiàn)出淡紫色的原因。每層隔熱罩均可以阻擋約90%的熱量，五層協(xié)同工作可以使兩側(cè)的溫度差達(dá)到約300攝氏度，為望遠(yuǎn)鏡主要結(jié)構(gòu)提供-223攝氏度以下的工作溫度。

“韋伯”的隔熱罩原理示意圖

與望遠(yuǎn)鏡相同，巨大的隔熱罩是不能以展開狀態(tài)放入火箭整流罩的。完全展開的隔熱罩長約21米，寬約14米，在發(fā)射前它將像折紙一樣小心地折疊12次，在發(fā)射后通過復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備按部就班地展開到位。

正在手工折疊的隔熱罩

折疊完畢的“韋伯”，左右淡紫色的是隔熱罩

遮陽板可以將望遠(yuǎn)鏡的鏡片等結(jié)構(gòu)溫度降至-223攝氏度以下，但該溫度對(duì)于科研探測(cè)設(shè)備來說還是偏高。三部近紅外成像儀將通過被動(dòng)冷卻系統(tǒng)在大約-234攝氏度下工作。中紅外成像儀的要求更加苛刻，它的工作溫度低至-266攝氏度，在它身上只能通過液氦進(jìn)行冷卻。不過，它對(duì)于液氦的需求量遠(yuǎn)低于斯皮策空間紅外望遠(yuǎn)鏡，液氦資源不會(huì)過于捉襟見肘。

發(fā)射流程：只影向誰去

“韋伯”使用歐空局研制的阿里安5大型運(yùn)載火箭，在法屬圭亞那庫魯航天發(fā)射中心發(fā)射升空。前面已述，“韋伯”的光學(xué)結(jié)構(gòu)與隔熱結(jié)構(gòu)均是折疊的，發(fā)射后需要展開。

此外，“韋伯”還有太陽能電池板、通信天線等至關(guān)重要的儀器設(shè)備需要展開后才能正常工作。因此，發(fā)射后的“韋伯”不能立即工作，還有6個(gè)月的在軌部署與測(cè)試工作等著它。

“韋伯”的太陽能電池板

下圖顯示了“韋伯”發(fā)射后在軌部署的全流程工作。起飛26分鐘后，火箭完成任務(wù)，“韋伯”獨(dú)自踏上去往日地拉格朗日L2點(diǎn)的路(A)。緊接著，它的太陽能電池板將會(huì)首先展開（B)，畢竟充足的電源是日后所有工作的基礎(chǔ)。兩小時(shí)后它會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)通信天線，對(duì)準(zhǔn)地球(C)。

下一步是隔熱罩展開。發(fā)射3天后，主鏡前后的隔熱罩托盤先后打開(D/E)，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊整體抬升，以與隔熱罩拉開距離 (F)。下一步將會(huì)展開一面不太起眼的襟翼(G)，它的作用是平衡巨大隔熱罩承受太陽風(fēng)的壓力，可以最大限度地降低任務(wù)期間的燃料用量。最關(guān)鍵的步驟便是將五層隔熱罩展開到位并張緊(H/I)，這個(gè)過程耗時(shí)兩天。最后，每層隔熱罩之間還需要分開一定的距離，起到更好的隔熱效果(J)。

“韋伯”在軌部署全流程示意圖  制圖：杜駿豪  

隨后進(jìn)行光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊的展開工作，此步驟耗時(shí)4天。首先會(huì)將次鏡的長臂打開，使次鏡到位并鎖緊(K)。然后會(huì)將望遠(yuǎn)鏡背部的儀表散熱器展開(L)，該散熱器承擔(dān)著紅外成像儀等關(guān)鍵科研儀器的降溫工作。最后兩天依次展開左右兩邊的主鏡(M/N)，所有的在軌展開工作便大功告成了。

在這個(gè)環(huán)環(huán)相扣的繁瑣環(huán)節(jié)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將對(duì)“韋伯”的工作性能產(chǎn)生影響。因?yàn)槔窭嗜誏2點(diǎn)距離地球較遠(yuǎn)，我們沒有機(jī)會(huì)派載人飛船前去維修，所以一切工作都要在地面試驗(yàn)完成，以確保萬無一失。

之后是望遠(yuǎn)鏡漫長的整體調(diào)試期，耗時(shí)至少6個(gè)月。工程師和科學(xué)家將確認(rèn)每臺(tái)科研儀器都在正常工作，并對(duì)18片主鏡進(jìn)行調(diào)試，使其達(dá)到最佳聚焦能力。

任務(wù)目標(biāo)：欲窮千里目

綜合科學(xué)儀器模塊(ISIM)承擔(dān)著“韋伯”的科研探索工作，一共由4款主要儀器組成，分別是近紅外相機(jī)(NIRCam）、近紅外光譜儀(NIRSpec)、精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)、中紅外儀(MIRI)。 

左上：NIRCam 右上：FGS/NIRISS 下：MIRI的核心感光元件

近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀均可以觀測(cè)0.6到5.0微米的波段，近紅外相機(jī)還承擔(dān)著18片主鏡的在軌測(cè)試與校準(zhǔn)任務(wù)。精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像無縫隙光譜儀(FGS/NIRISS)由精細(xì)制導(dǎo)傳感器、近紅外成像與光譜儀聯(lián)合組成，可以觀測(cè)0.8至5.0微米的波段。

精細(xì)制導(dǎo)傳感器是整個(gè)“韋伯”的“羅盤”，通過該傳感器，“韋伯”能以極高的精度指向需要探索的天空。中紅外儀是中紅外波段相機(jī)與光譜儀的復(fù)合體，可觀測(cè)4.6微米到28.6微米的中長紅外波段。它還配備了日冕儀，非常適合觀測(cè)系外行星。

有了這些波段與原理互補(bǔ)的科學(xué)載荷，“韋伯”就化身成一部時(shí)光機(jī)器。它可以看到130億光年外的宇宙，觀測(cè)宇宙第一批天體的形成和演化，揭示宇宙久遠(yuǎn)的歷史。

另外，“韋伯”還可以通過觀測(cè)遙遠(yuǎn)的原始星系，以確定星系是如何演化的，這對(duì)我們反思太陽系如何形成與演化有著建設(shè)性意義。在星云中間，有不少低能量褐矮星、年輕的原恒星，因?yàn)樗鼈兊墓饷⑦^于暗淡，只有通過“韋伯”才能觀察到它們。因此，“韋伯”將為我們揭示一個(gè)由不可見的恒星和行星組成的隱秘宇宙。對(duì)于系外行星的探索甚至有助于我們揭開地球上生命起源的疑團(tuán)。

“韋伯”將為人類解開更多宇宙奧秘

“韋伯”作為人類史上最強(qiáng)勁的望遠(yuǎn)鏡，人類已經(jīng)為它傾注了所有科技、財(cái)力與時(shí)間。人類的好奇心是偉大的，它帶領(lǐng)我們前赴后繼地探尋宇宙起源、生命起源的真諦?！绊f伯”就代表著人類最深邃的好奇心，它使人類能夠“不畏浮云遮望眼”，帶我們看看未曾一見的隱秘世界，為整個(gè)人類的科學(xué)認(rèn)知貢獻(xiàn)不可泯滅的力量，讓我們祝它一路順風(fēng)！

文/北京大學(xué)青年天文學(xué)會(huì) 杜駿豪