智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | 楊暢
編輯 | 心緣
智東西12月26日凌晨報道，在經歷了近25年的探索和多次推遲后，北京時間12月25日20點20分，哈勃望遠鏡“繼任者”美國國家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韋布空間望遠鏡終于點火發射，正式開啟自己的太空之旅。
在未來的幾個月，這個人類歷史上最大、耗資近100億美元的太空天文臺將飛到地球和太陽之間的引力平衡點，展開折疊的天線、遮陽板、鏡片，對宇宙起源進行探索。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，縮寫為JWST，簡稱：韋布空間望遠鏡）原計劃于2007年發射，它的“前輩”哈勃空間望遠鏡于1990年成功發射，曾在2019年傳回了迄今最完整的7500張星空照片拼接而成的宇宙圖譜。
作為一個資深“鴿王”，韋布空間望遠鏡的發射時間是一拖再拖，從2007年，一直拖到現在。相比哈勃空間望遠鏡不過600公里的離地高度，“新官上任”的韋布空間望遠鏡將飛行到距地球約150萬公里的位置，這大約是地球到月球距離的4倍，其靈敏度是哈勃的100倍，預計將觀測到136億年前宇宙誕生的第一批星系所發出的光。
注：根據天文學名詞審定委員確定的望遠鏡中文名稱，本文將James Webb Space Telescope譯為詹姆斯·韋布空間望遠鏡。
一、飛離地球，韋布望遠鏡將奔向150萬公里外的星空
北京時間12月25日20點03分，多次推遲發射的韋布空間望遠鏡終于進入發射前最后準備階段。這一太空望遠鏡項目集結了NASA、歐洲航天局和加拿大航天局三大航天局的技術力量。
▲裝載韋布空間望遠鏡的阿麗亞娜5號火箭已經準備就緒，技術人員密切關注火箭的各種情況
在位于南美洲的法屬圭亞那的歐洲太空港，技術人員密切關注著韋布空間望遠鏡的各種儀器和參數，等待著發射指令的到來。
▲韋布空間望遠鏡被安裝在阿麗亞娜5號火箭上（來源：歐洲航天局）
本次發射使用的是法國大型火箭企業阿麗亞娜航天公司（ArianeGroup）的阿麗亞娜5號（Ariane 5）火箭，通過火箭適配器，韋布空間望遠鏡被安裝在阿麗亞娜5號火箭的上級面。
北京時間20點20分，阿麗亞娜5號火箭開始點火發射，火箭以近乎垂直的狀態迅速爬升。
大約2分鐘后，火箭助推器和阿麗亞娜5號火箭分離，助推器墜入大西洋，火箭繼續飛升。
緊接著，飛出大氣層的阿麗亞娜5號火箭打開并分離保護韋布望遠鏡等載荷的整流罩。
地面團隊在發射后大約五分鐘開始接收從韋布空間望遠鏡發來的遙測數據。
大約北京時間20點28分，一級火箭開始進行分離，上面級運載火箭攜帶著韋布空間望遠鏡奔向離地球更遙遠的太空。
在調整到合適姿態后，發射后約27分鐘時，韋布空間望遠鏡開始與上面級運載火箭進行分離。
大約在北京時間20點50分，韋布空間望遠鏡上的太陽能電池陣列開始自動部署，韋布空間望遠鏡終于取得了第一階段的成功，不過未來，它還會迎來諸多挑戰。
發射12小時后，韋布空間望遠鏡會進行第一次軌跡修正機動，大概北京時間12月28日8點20分時，韋布空間望遠鏡會進行第二次軌跡修正。技術人員將持續跟蹤韋布空間望遠鏡的運行狀態。
▲韋布望遠鏡發射前和前30分鐘發射過程（來源：歐洲航天局）
在接下來的近一個月里，韋布空間望遠鏡會逐漸展開并調整狀態，在太空中進行一系列比試驗時任何測試都更為復雜的運動，據技術人員估算，韋布空間望遠鏡至少有344個潛在的故障點位，遠離任何宇航員或機器人的幫助，韋布空間望遠鏡的未來充滿未知。
▲韋布空間望遠鏡預計會飛到L2點，然后開始繞日運行（來源：歐洲航天局）
最終，韋布空間望遠鏡將飛過月球軌道，達到其目的地：第二拉格朗日點（L2）。該軌道距離地球約150萬公里，在那里各種星體引力相互作用，韋布空間望遠鏡將在該軌道上穩定繞日運行。接下來，天文學家將花費6個月的時間調整、測試和校準韋布空間望遠鏡這只用來看宇宙的新“眼睛”。
韋布空間望遠鏡展開和姿態調整的第一步是彈出天線，并將天線瞄準地球，從而實現韋布空間望遠鏡和地球的通信。
然后，韋布空間望遠鏡會打開網球場大小的遮陽板支架，接下來打開的是由五層稱為Kapton的輕質塑料薄片制成的遮陽板，讓韋布空間望遠鏡逐漸降溫。
最后，18個鍍有金的鈹材料制成的六角形鏡片會重新進行組合，形成一個6.5米寬的分段鏡子。
韋布空間望遠鏡任務預計會持續5到10年，NASA預計該望遠鏡會在2022年夏天拍攝出第一張科學照片。
二、一個網球場大小的望遠鏡，捕捉136億年前星象
詹姆斯·韋布空間望遠鏡名字來源于NASA第二任局長詹姆斯·韋布，他曾領導美國阿波羅登月計劃。
韋布空間望遠鏡占地面積足足有一個網球場那么大，發射質量約6200公斤，包括天基部分（天文臺）、在軌耗材和運載火箭適配器。
▲韋布空間望遠鏡（來源：歐洲航天局）
天基部分（天文臺）是韋布空間望遠鏡的功能主體部分，由光學望遠鏡元件、綜合科學儀器模塊、遮陽板和航天器支持系統組成。
▲韋布空間望遠鏡結構示意圖（來源：歐洲航天局）
光學望遠鏡元件由多級鏡片構成，包括18個獨立六邊形鍍有黃金的超輕鈹材料制成的主鏡、多個直徑0.74米的圓形次鏡，以及包含在尾部的光學子系統中三級反射鏡和精細轉向鏡。
▲技術人員正在安裝中紅外儀器和近紅外相機（來源：NASA）
綜合科學儀器模塊由近紅外光譜儀（NIRSPEC）、中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機（NIRCam）、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀（NIRISS）等組成，幫助韋布空間望遠鏡進行分析和成像。
▲韋布空間望遠鏡技術人員在升級、調試近紅外光譜儀近紅外成像儀和無縫隙光譜儀模塊（來源：NASA）
這些設備是韋布空間望遠鏡的核心元件之一，可以探測到更多的光。由于宇宙的膨脹，那些宇宙中誕生最早的恒星和星系正在以非常快的速度遠離地球，這些恒星和星系發出的光也就轉換到更長、更紅的波長上。130億年前從一個“嬰兒”星系發出的藍光，在如今到達我們地球人類面前時，已經擴展成不可見的紅外波長，也就是熱輻射。
為了探測這些微弱的輻射，韋布空間望遠鏡的溫度必須非常低，大概是比絕對零度高不到45攝氏度，這樣韋布空間望遠鏡的熱量就不會干擾被探測到的熱量，也正是因為這個原因，遮陽板將在永久寒冷的黑暗中遮蔽著韋布空間望遠鏡。
22×12米的五層遮陽板將韋布空間望遠鏡的天基部分隔成2部分，一部分是航天器所在朝陽側，一部分是需要超低溫度的防日曬側。遮陽板將韋布空間望遠鏡和儀器永久保持在陰涼側，使其溫度降至-233攝氏度。中紅外儀器將通過使用創新的冷卻系統，將其溫度降至-266攝氏度。
除了觀測太陽系、為科研人員提供新見解之外，據美國國家航天局（NASA）稱，韋布空間望遠鏡的視野將超越哈勃空間望遠鏡所能看到的范圍，并可以捕捉到136億多年前出現的一些第一批恒星和星系的圖像。
三、觀測能力是哈勃的100倍，還能看不可見光
哈勃空間望遠鏡是人類歷史上最重要的天文太空望遠鏡之一，而韋布空間望遠鏡的太空觀測靈敏度是哈勃空間望遠鏡的100倍。
▲哈勃空間望遠鏡（來源：NASA）
據韋布空間望遠鏡項目跨學科科學家的羅吉爾·溫德霍斯特介紹，從1990年發射，到現在哈勃空間望遠鏡拍攝了超過150萬張照片，幫助人類確定宇宙的年齡有138億年，并擴展了科研人員對行星如何形成的理解。
▲哈勃空間望遠鏡近期拍攝的照片（來源：NASA）
但哈勃空間望遠鏡的設計初衷是捕捉可見光，不過可見光僅是恒星和其他天體發出光譜的一小部分，相比之下，韋布空間望遠鏡可以捕獲一系列人眼看不到的紅外線。
▲韋布空間望遠鏡和哈勃空間望遠鏡觀測的光線波長范圍（來源：NASA）
人眼可看到的光的波長范圍是380-700nm，哈勃空間望遠鏡可觀測到90-2500nm范圍內的光（紫外線到近紅外光），而韋布空間望遠鏡能看到波長范圍在600-28500nm的光線（可見光到中紅外光），覆蓋范圍更大。
▲可見光和紅外視覺拍攝的恒星圖片存在差異，紅外照片能看到更多細節（來源：NASA）
NASA曾經在2004年發布了哈勃空間望遠鏡拍攝的超深場照片（Hubble’s Ultra Deep Field），震驚了全世界，該照片顯示了130億年前或者說宇宙開始后10億年內誕生的星系。
▲哈勃空間望遠鏡拍攝的超深場照片（來源：NASA）
哈勃空間望遠鏡拍攝的這張照片顯示了10000個光芒微弱的星系，還包括一個幾乎肉眼看不見的紅色斑點，這個紅色斑點其實是哈勃空間望遠鏡捕獲到的一個遙遠星系發出的光形成的影像，這些星系的歷史可以追溯到宇宙大爆炸后的4.1億年到134億年前，溫德霍斯特曾這樣形容哈勃空間望遠鏡發現星系的能力，就像是在地球用肉眼看月球上的螢火蟲。
韋布空間望遠鏡的能力更強，通過結合其裝備的紅外探測器和大型鏡片，韋布空間望遠鏡能夠更詳細地追蹤那個哈勃空間望遠鏡拍到的紅色斑點以及天空中的許多其他“斑點”。
通過韋布空間望遠鏡，人類能夠發現新的恒星和行星，因為韋布空間望遠鏡可以感應到紅外線，而紅外線是可以穿透氣體和塵埃云的，被氣體和塵埃云遮住的星體有可能被發現。
▲韋布空間望遠鏡和哈勃空間望遠鏡的尺寸比較（來源：NASA）
望遠鏡的鏡片越大，它可以收集的光線越多，捕獲的圖像就越清晰，韋布空間望遠鏡的鍍金鏡片寬度為6.5米，是哈勃空間望遠鏡鏡片寬度的3倍，這意味著韋布空間望遠鏡可以捕獲非常詳細的圖像，例如拍到24英里之外一美分硬幣上亞伯拉罕·林肯的臉。
此外，韋布空間望遠鏡要探測宇宙星系發出的紅外線，而任何絕對零度以上的物體都會發出紅外線，為了避免離太陽和地球過近影響宇宙觀測，韋布空間望遠鏡的運行軌道離地球更遠，不像哈勃空間望遠鏡是在離地球非常近的軌道上運行的。
四、探索25年堪稱“鴿王”，耗費100億美元
早在1990年哈勃空間望遠鏡發射之前，天文學家就在爭論接下來發射的空間望遠鏡是什么樣的。
在1993年，NASA要求美國一個天文學家委員會來確定這些內容。
該委員會提議建造一臺強大到足以看到宇宙中第一批恒星和星系的下一代空間望遠鏡，望遠鏡的直徑至少要4米（哈勃空間望遠鏡鏡片直徑是2.4米），對紅外輻射高度敏感，并且需要10億美元的建設費用。
1995年，這個委員會主席德雷斯勒就這些建議向時任NASA局長的丹·戈爾丁作了簡報。
丹·戈爾丁擔心4米寬的望遠鏡的敏銳度不足以探測到第一批恒星，1996年，他參見美國天文學會的一次會議時，說德雷斯勒和他的天文學委員會過于謹慎，丹提到新的望遠鏡將會有8米寬，在功率、成本和開發時間上都會有一個巨大的飛躍。望遠鏡的尺寸增加了一倍，無法安裝在任何現有的火箭上，這意味著望遠鏡的鏡片必須是可折疊的，并且還必須能在太空中自行組裝。
韋布空間望遠鏡在1996年正式啟動，并開始了漫長的建造和測試過程。最終NASA定下來韋布空間望遠鏡的寬度是6.5米，幾乎是哈勃空間望遠鏡的三倍，收集光線的能力也提升了，是哈勃空間望遠鏡的7倍。
但是開發和建造韋布空間望遠鏡還充滿著各種挑戰。
最開始，韋布空間望遠鏡的預算是5億美元，后來，預計耗資50億美元，但最終，到目前，韋布空間望遠鏡耗時25年，花費將近100億美元，才終于通過檢測，成功發射，比最初計劃的2007年，晚了14年。
其中設計可折疊的望遠鏡鏡片和遮陽板尤為困難，2018年時，遮陽板在展開過程測試中被撕破，韋布空間望遠鏡項目再次受挫。
▲韋布空間望遠鏡乘運輸船到達法屬圭亞那歐洲太空港（來源：加拿大航天局）
終于在2021年，韋布空間望遠鏡準備就緒，2021年10月時，韋布空間望遠鏡乘運輸船到達本次發射地法屬圭亞那歐洲太空港，不過當技術人員準備將其和火箭適配器連接時，一個夾子意外松開，整個裝置劇烈震動，為了檢測是否有影響，發射日期再次推遲。
當地時間2021年12月14日，NASA再次聲明稱，韋布空間望遠鏡存在望遠鏡和運載火箭系統通信問題，使韋布空間望遠鏡的發射再次被推遲。不過，在技術人員的努力下，問題順利解決，12月25日，韋布空間望遠鏡正式飛向太空，開始它的觀測之旅。
結語：太空觀測新時代大幕拉開
從韋布空間望遠鏡的建造歷程來看，太空望遠鏡的建設除了需要大量資金支持外，技術門檻也非常多。
觀測宇宙星系，太空望遠鏡是不可或缺的重要設備。不止美國、歐洲，中國也在建造自己的宇宙之眼，未來，中國計劃發射巡天空間望遠鏡，發現更多未知天體。
隨著韋布空間望遠鏡以及未來更多的太空望遠鏡發射成功，將會有更多以前拍攝不到的宇宙圖景被一一解開。
參考信源：NASA、歐空局、華爾街日報、紐約時報等
