二十五载终起航 | 詹姆斯·韦布空间望远镜的星辰大海

阿丽亚娜5火箭搭乘韦布空间望远镜在法属圭亚那的欧洲空间局库鲁基地升空（scx2.b-cdn.net）

　　2021年12月25日周六，北京时间20点20分，举世瞩目的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，缩写为JWST）在法属圭亚那空间中心成功搭乘阿丽亚娜5（Ariane 5）运载火箭升空，开启了一场新的宇宙探索之旅。

韦布空间望远镜发射直播画面（NASA）

　　韦布空间望远镜耗资100亿美元，它将用一个月的时间飞向160万公里外的目的地，并在五个月之后正式上岗，以“红外之眼”扫描宇宙；它将观察第一批恒星和星系发出的光线，在宇宙中搜寻生命的迹象。

　　“哈勃接班人”

　　可以说，迄今为止，没有什么仪器能比詹姆斯·韦布空间望远镜更能展现由人类对宇宙的好奇心所带来的进步。韦布是人们期待已久的哈勃空间望远镜的科学继任者，它有望成为世界上首屈一指的空间科学天文台。

韦布空间望远镜

　　早在1990年哈勃空间望远镜发射之前，科学家们就已经在考虑应该用什么设备来作为它的“接班人”。第一代恒星看起来是什么样的？在与我们所知的形成当代恒星所需要的环境如此不同的环境中，它们又是如何形成的？宇宙中由普通物质和不可见的暗物质组成的星系是如何聚集和演化的？我们在大多数星系中心观测到的超大质量黑洞是如何形成，又是在何时形成的？究竟是谁先出现：恒星、黑洞、星系……还是别的什么？哈勃无法回答这些问题。

　　相反，要想观测到宇宙黑暗时期的结束，我们需要一架对红外波段非常敏感的望远镜。这是因为宇宙自138亿年前发生大爆炸后一直在膨胀，这就意味着宇宙中的一切都在远离彼此。天体离我们越远，它后退的速度就越快。光以有限的速度传播，所以当光子朝向我们运动时，这种膨胀会拉伸光的波长。于是，如果一个天体离我们越远，它看起来就越红。大爆炸后形成的第一批发光天体，无论它们是什么，都是如此遥远，以至于它们在130亿年前发出的紫外线和可见光，今天到达我们这里时，都会红移到红外波段范围。

　　因此，我们的目标不仅是收集足够的光，追溯到宇宙的黑暗时期，而且还要在波长更长的红外波段达到与哈勃在可见光波段相当的分辨率。为了做到这一点，韦布需要一面直径至少6到7米（约20英尺）的主镜，最好是对称的，以减少不必要的图像失真。这样的一面镜子同时还能够细致观测距离较近的目标，如新生的恒星和包裹在尘埃气体云中的系外行星。要达到期望的观测波段和灵敏度，就意味着必须把望远镜放到太空中去，这样才能免受地球大气中水蒸气的干扰。而且望远镜必须保持冷却——温度低于60开尔文（零下213摄氏度或零下352华氏度），这样它自身的热辐射才不会妨碍它看到来自天体的红外光。

詹姆斯·韦布空间望远镜艺术想象图（scx2.b-cdn.net）

　　这就是项目设计者们决定建造一架大型红外望远镜的原因，它将被安置在太空中，远离地球的室温辐射——距离地球的背阳面约150万千米（100万英里），位于被称为L2点的日地系统的引力平衡点。将这架设想中的望远镜变成现实是一项集发明、创造力和毅力于一身的壮举，这也使韦布成为建造空间天文台的一个里程碑。

　　工程挑战

　　使韦布成为现实，有几项发明和技术进步是必须的。尺寸加上在低温下运作的需要，共同构成了最大的挑战。韦布的口径超过了商业标准下可供使用的火箭整流罩的5米直径——换句话说，如果我们用一面对称的、一体式的镜子建造它，将没有足够宽的火箭头锥来携带望远镜进入太空。此外，如果使用哈勃望远镜轻质单片玻璃镜面所采取的技术，则需要一台巨大到不切实际的支撑结构。

选择黄金 一位光学工程师正在检查两块拼接镜面，其中一块的表面镀有金膜。其框架是由一种复合材料制成，专门设计用于应对韦布所处的空间环境。

　　在太空中组装望远镜也是天方夜谭：会增加太多的费用和风险。因此，工程师们开发了可折叠的光学器件和结构，使望远镜可以折叠起来，以适应火箭整流罩并经受发射过程的严格要求，然后在太空中展开成不同的、可操作的形态。与使用一面大的主镜面不同，我们建造了一面由18面六角形镜拼合而成的镜面，每一子镜面宽1.3米，重约40千克（88磅）。它们共同组成了一个6.5米宽的蜂巢式镜面。展开并不是望远镜在太空中经历的唯一形变过程。在低温下运行的挑战令人生畏，并且会影响到设计和测试的各个方面。材料的尺寸会随着温度变化，通常在温暖时膨胀，在寒冷时收缩。更重要的是，不同材料的形变方式也不相同。由于需要使用不止一种材料来建造韦布，所以我们必须考虑到每个部件自己的形变方式。这意味着需要开发新的工艺，在室温下塑造和抛光光学表面是“完美错误”的，在低温运作温度下进行操作才是“完全正确”的。光学表面必须在经过反复测试、以及最终发射并冷却下来后达到预期的形状。

　　铍成为首选的镜面材料。铍又轻又硬，在低于100开尔文的温度下，它几乎不会改变尺寸。然而，普通状态下的铍是变化莫测的，因此技术人员发明了一种新型的铍微球粉末，然后研究小组通过高压和加热将其熔合成镜面坯料。毛坯被加工、研磨和抛光后，技术人员就会马上在每一面镜子上涂上一层黄金，这会使得镜面在反射红外波长方面更加出色。

　　拼合镜面以及其他光学器件和科学仪器，被安装在由碳纤维石墨环氧树脂的特殊材料制成的结构上，这种材质非常坚硬和牢固，而且在从室温到低温的各种温度范围内都相对稳定。

　　折叠天文台

　　在早期韦布的概念研发过程中，大家对哈勃的球面像差记忆犹新。因此当构想一架新的空间望远镜时，人们自然而然会想到它的光学系统，想到如何制造和测试它们。但除了光学系统，韦布还需要更多东西。韦布是一架巨大的、冷冰冰的折叠天⽂台，折叠起来的空间天文台将在远程命令的控制下在太空中展开，并在低温下运行，这⼀切都提升了难度系数。

遮阳板：在这张摄于2014年的照片中，工程师们第一次将全尺寸测试遮阳板堆叠并展开。

2020年，一名技术人员小心翼翼地折叠真正的遮阳板，准备将望远镜装载到发射装置中。几乎每一艘现代航天器都以某种方式展开或释放，比如展开太阳能电池板。出于必要，韦布把在轨释放和展开的技术发挥到了极致:. 望远镜的主镜背板结构在发射时必须折叠起来，然后才能精确地展开。

　　. 主镜的每个拼接部分必须能够朝任意方向运动，这样它们才能正确地对齐到百万分之一毫米，并组合为一体。

　　. 副镜必须安装在铰接的三脚架上，并且可以向任意方向移动。

　　. 望远镜的结构体在发射时与航天器总线相连，但是必须有一个伸缩塔能将结构体和总线分开，这样才能避免望远镜受到来自航天器和遮阳板的任何机械振动或加热的影响。

　　. 用于监控望远镜在太空中位置的星体跟踪定位器连接在这个可伸缩的塔上，一旦进入太空则必须从航天器的总线上的发射锁上松开。

　　. 各种散热器也必须从发射锁定状态中释放并展开，以实现隔热和机械隔离。

　　遮阳板为装载和展开工程带来了前所未有的困难。遮阳板的作用是充当一把伞，保护望远镜不受太阳的热量以及来自地球和月球的杂散光的影响。这种保护使得望远镜和仪器能够将自身的热量辐射出去，并在L2点的7开尔文温度的深空中保持凉爽。遮阳板只需要让总热量的百万分之一通过，就能将超过200千瓦的太阳辐射降低到零点几瓦。它还需要覆盖比望远镜本身更大的区域——大致相当于一个网球场——以便为望远镜提供足够的荫凉，尽可能大面积地观测天空。

　　最后，它必须具备极轻的重量，在发射时能紧凑装载，并可靠地展开。无论是对于地面上的多次测试还是太空中唯一一次机会，这都极为重要。由五层风筝形状的薄如蝉翼的膜堆叠而成的设计满足了这些要求。每一层膜的面积约为165平方米（1780平方英尺），表面涂有蒸镀铝膜。当展开时，每层膜之间的空间从中心到边缘逐渐变宽。这使得没有被反射出去的热量被成功传递到下一层，然后传导到膜边缘，并向外散发至太空中。甚至膜的边缘都以毫米精度排列，以确保膜边缘被太阳加热后发出的红外光子不会传入望远镜的光学系统，从而成为杂散光的来源。

庞大的仪器 工程师准备用于声学测试的近红外光谱仪。

　　作为韦布的最大构件，遮阳板的展开极为壮观。石墨环氧树脂框架将在发射时支撑Z型折叠薄膜，然后在太空中展开薄膜。一个由马达、驱动杆、滑轮和电缆组成的复杂系统将展开遮阳板骨架并拉紧薄膜。由于薄膜和电缆是非刚性且松软的，在太空的失重状态下展开时，必须有数百个简单、巧妙的条带和弹性夹子来约束它们，以防止它们被卡住或者发生缠绕。

　　总的来说，航天器硬件的展开包括178个非爆炸释放装置，30种不同类型的40多次主要展开，155个电机，600多个滑轮装置，以及总长度约为四分之一英里的近100根电缆。

　　超越现有技术

　　随之而来的还有韦布上探测器所引发的进步。为了实现科学目标，红外探测器必须比计划开始时已经存在的探测器更好。工程师们不得不对电子设备进行改造，使探测器发出的任何“噪音”加上反射镜本身发出的热量，都小于黄道光——也就是内太阳系弥漫尘埃发出的背景光。这正是为什么会提出60开尔文要求的原因。观测中红外波长则需要更极端的方法。中红外波段的探测器必须在低于7开尔文的温度下才能工作，而仅仅通过呆在L2附近的太空是无法实现这一点的。相反，韦布需要自己的低温制冷机，也因此需要更进一步的研发。

　　从主光谱仪的新型狭缝障板的发明到低温测试的进展，许多技术都是为了让韦布成为可能。当然，在漫长的开发过程中，我们必须跨越各种工程障碍，不过解决挑战也正是让这项工作有意义的重要部分。

　　此外还有国际化的障碍。科学界是世界性的团体，全世界的贡献者从一开始就想参与这项任务。欧洲和加拿大的航天机构都在提供仪器和运行支持，欧洲空间局（ESA）也在负责发射任务。但是，即便是盟友之间共享信息，也要遵循法律规定。寻求与合作伙伴及其承包商的合作方法给这一过程增加了一定程度的困难，但科学能力的回报表明这一切都是值得的。

舱室A 韦布在2017年经历了数月的低温真空测试。

　　证明行之有效

　　韦布与其他航天器的一个主要区别在于，整个韦布天文台无法在发射前作为一个完整的单元进行准确的测试：它太大、太复杂了。对于那些还记得哈勃第一次观测宇宙时传回的模糊图像的读者来说，这可能是非常伤脑筋的。需要说明的是，我们对韦布的光学系统进行了完整的整体测试，无法实现的是在地面上创造出韦布展开时将要面对的环境。我们无法在真空室内轻易模仿失重和执行展开，而复制韦布的热状态——一边是强烈的阳光在加热，而另一边却在经受极端寒冷，或者同时对真空中完全展开的天文台运行完整的光学测试，都是不可实现的。

　　这使得工程师们将天文台分成两部分进行测试——将望远镜和仪器作为一个单元，将航天器总线和遮阳板作为另一个。每个单元都经过振动和冲击测试，随后在温度控制的真空室内进行性能测试。组装完毕后，天文台又遭受了更多的振动，以验证最终组装的工艺。

　　我们从哈勃球面像差的经历中学到了重要的一课：当你测试它们时，不要依赖于相同的光学工具。这意味着我们必须建造不同的设备来验证、交叉检查和光学测试整台望远镜和仪器组件。测试需要一个真空室，能够将整个望远镜和仪器组件冷却到40开尔文左右，并抑制背景机械振动，存放精密的测试设备。

　　作为阿波罗计划时代的遗产，NASA的约翰逊航天中心巨大的舱室A（译者注：是一个直径16.8米，高27.4米的舱室）被翻新和升级成为世界上最好的大型低温真空光学测试设施。这个房间大约有九层楼高，比林肯纪念堂还要高——大到里面的空气重达12吨（在测试前，里面的空气被抽到只剩下2克）。工程师们把展开的飞行硬件放在一个桁架结构平台上，然后通过轨道滚动到舱室底部，然后把它连接到悬挂在天花板上的长钢条上。利用放置在腔内的镜子、摄像机和其他经过仔细测试的仪器，我们成功对齐了所有的18个拼合部分，形成一面镜子。我们还验证了主镜的形状，对从副镜的位置到望远镜获取和跟踪目标的能力等方方面面进行了测试。多年的精心规划意味着，即使在2017年的这100天低温真空测试期间遭受了哈维飓风的袭击，我们也在没有中断的情况下完成了测试。

折叠发射试验：望远镜成功地忍受了震耳欲聋的噪音和模拟 阿丽亚娜5号火箭发射时环境的颠簸振动。2020年的测试是 发射前的最后一次环境测试。

　　与此同时，为了证明天文台不仅可以很好地处理来自太阳的热量，并且可以对付自己电子设备所产生的热量，我们必须综合多个测试的结果。为了检查遮阳板的设计，我们在一个可控温的真空室中测试了一个1/3比例的展开的遮阳板模型。为了验证望远镜和仪器在电子设备发出热量的情况下仍能保持低温状态，我们建造并测试了韦布核心部分的全尺寸版本——天文台的热中央站，以确认热量按照需要的方式移动。这种测试要求毫瓦级的精度。随后我们将这些结果与总线加遮阳板组件的热真空测试以及组装的望远镜和仪器包的低温真空测试的结果汇总到了一起。

　　最重要的是，我们对展开过程做了详尽的、迭代的检查。所有飞行可展开部件都已展开多次；例如，飞行遮阳板在飞行前已经被装载折叠了四次，并展开了三次。天文台的很多地方都可以折叠起来，所以每次装载操作都像重新组装一样，有一套额外的检查和预防措施。

半展开 遮阳板卷在展开的主镜下面。在发射时，遮阳板会折叠并夹住镜子。

　　打开韦布的宇宙之眼

　　从法属圭亚那起飞，韦布将经历6个月激动人心的试运行期。在欧洲空间局的阿丽亚娜5号火箭完成26分钟的飞行后不久，航天器将根据存储的命令自动分离并展开其太阳能电池板。在那之后，我们将在接下来的几周内从地面启动所有的后续展开，这与登陆遥远火星的“恐怖7分钟”形成了鲜明对比。对火星登陆来说，由于火星距离很远，进入、下降和着陆的每一步都是预先编程和自动的——在地球上的工程师收到登陆开始的信号之前，一切都结束了。然而，韦布离我们只有几光秒的距离，所以我们将能够谨慎地展开。

　　韦布将花一个月的时间飞到L2，慢慢展开。遮阳板的展开从第2.7天开始，并在随后的几天内完成。一旦遮阳板开始展开，望远镜和仪器将进入阴影并迅速冷却。在接下来的几个星期里，项目小组将密切监测天文台的冷却情况，通过加热器来防止泄漏的水分冻结在敏感的表面上。与此同时，副镜三脚架将展开，主镜将展开，仪器将慢慢启动，在第29天，路程中段的机动调整将韦布送入L2附近的预定轨道。

　　一旦天文台冷却到足够低且稳定的温度，将花上几个月的时间来校准光学器件和科学仪器。假定调试按计划进行，科学运行将在发射后大约6个月开始。按照设计方案，韦布的任务寿命至少为5年，但也可能会持续10年以上，这取决于我们使用多少燃料来实现和维持L2的轨道，以及望远镜的组件在太空中退化的速度。像韦布这样的旗舰型任务是跨时代的。因为任务艰巨，所以它们需要花费很长的时间；因为造价昂贵，所以它们需要花费很长的时间。韦布是修建在前人的经验和教训之上，如哈勃和斯皮策空间望远镜。反过来，它也将为未来大型空间天文台的发展奠定基础。

韦布空间望远镜发射直播画面 / NASA

　　韦布是一台非同寻常的机器。这是一项卓越的工程成就，充满了科学潜力与前景。它的建立是为了探索宇宙学和天文学的前沿，从观测宇宙黑暗时期的结束，到“嗅探”附近恒星周围系外行星的大气，也许还可以探测到使我们所知的生命成为可能的化学过程。但它最伟大的发现，极有可能是我们尚未提出甚⾄超乎想象的问题的答案。

　　作者简介：1991年，副项目经理保罗·h. 盖特纳（Paul H.Geithner）来到美国航天局帮助修复和升级哈勃望远镜，自1997年起在韦布项目担任过几份工作。

　　译者简介：李海宁，中国科学院国家天文台星云研究员，主要从事银河系考古研究。

　　编辑：赵宇豪