阿麗亞娜5火箭搭乘韋布空間望遠鏡在法屬圭亞那的歐洲空間局庫魯基地升空（scx2.b-cdn.net）

2021年12月25日周六，北京時間20點20分，舉世矚目的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，縮寫為JWST）在法屬圭亞那空間中心成功搭乘阿麗亞娜5（Ariane 5）運載火箭升空，開啟了一場新的宇宙探索之旅。

韋布空間望遠鏡發射直播畫面（NASA）

韋布空間望遠鏡耗資100億美元，它將用一個月的時間飛向160萬公里外的目的地，并在五個月之后正式上崗，以“紅外之眼”掃描宇宙；它將觀察第一批恒星和星系發出的光線，在宇宙中搜尋生命的跡象。

“哈勃接班人”

可以說，迄今為止，沒有什么儀器能比詹姆斯·韋布空間望遠鏡更能展現由人類對宇宙的好奇心所帶來的進步。韋布是人們期待已久的哈勃空間望遠鏡的科學繼任者，它有望成為世界上首屈一指的空間科學天文臺。

韋布空間望遠鏡

早在1990年哈勃空間望遠鏡發射之前，科學家們就已經在考慮應該用什么設備來作為它的“接班人”。第一代恒星看起來是什么樣的？在與我們所知的形成當代恒星所需要的環境如此不同的環境中，它們又是如何形成的？宇宙中由普通物質和不可見的暗物質組成的星系是如何聚集和演化的？我們在大多數星系中心觀測到的超大質量黑洞是如何形成，又是在何時形成的？究竟是誰先出現：恒星、黑洞、星系……還是別的什么？哈勃無法回答這些問題。

相反，要想觀測到宇宙黑暗時期的結束，我們需要一架對紅外波段非常敏感的望遠鏡。這是因為宇宙自138億年前發生大爆炸后一直在膨脹，這就意味著宇宙中的一切都在遠離彼此。天體離我們越遠，它后退的速度就越快。光以有限的速度傳播，所以當光子朝向我們運動時，這種膨脹會拉伸光的波長。于是，如果一個天體離我們越遠，它看起來就越紅。大爆炸后形成的第一批發光天體，無論它們是什么，都是如此遙遠，以至于它們在130億年前發出的紫外線和可見光，今天到達我們這里時，都會紅移到紅外波段范圍。

因此，我們的目標不僅是收集足夠的光，追溯到宇宙的黑暗時期，而且還要在波長更長的紅外波段達到與哈勃在可見光波段相當的分辨率。為了做到這一點，韋布需要一面直徑至少6到7米（約20英尺）的主鏡，最好是對稱的，以減少不必要的圖像失真。這樣的一面鏡子同時還能夠細致觀測距離較近的目標，如新生的恒星和包裹在塵埃氣體云中的系外行星。要達到期望的觀測波段和靈敏度，就意味著必須把望遠鏡放到太空中去，這樣才能免受地球大氣中水蒸氣的干擾。而且望遠鏡必須保持冷卻——溫度低于60開爾文（零下213攝氏度或零下352華氏度），這樣它自身的熱輻射才不會妨礙它看到來自天體的紅外光。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡藝術想象圖（scx2.b-cdn.net）

這就是項目設計者們決定建造一架大型紅外望遠鏡的原因，它將被安置在太空中，遠離地球的室溫輻射——距離地球的背陽面約150萬千米（100萬英里），位于被稱為L2點的日地系統的引力平衡點。將這架設想中的望遠鏡變成現實是一項集發明、創造力和毅力于一身的壯舉，這也使韋布成為建造空間天文臺的一個里程碑。

工程挑戰

使韋布成為現實，有幾項發明和技術進步是必須的。尺寸加上在低溫下運作的需要，共同構成了最大的挑戰。韋布的口徑超過了商業標準下可供使用的火箭整流罩的5米直徑——換句話說，如果我們用一面對稱的、一體式的鏡子建造它，將沒有足夠寬的火箭頭錐來攜帶望遠鏡進入太空。此外，如果使用哈勃望遠鏡輕質單片玻璃鏡面所采取的技術，則需要一臺巨大到不切實際的支撐結構。

選擇黃金 一位光學工程師正在檢查兩塊拼接鏡面，其中一塊的表面鍍有金膜。其框架是由一種復合材料制成，專門設計用于應對韋布所處的空間環境。

在太空中組裝望遠鏡也是天方夜譚：會增加太多的費用和風險。因此，工程師們開發了可折疊的光學器件和結構，使望遠鏡可以折疊起來，以適應火箭整流罩并經受發射過程的嚴格要求，然后在太空中展開成不同的、可操作的形態。與使用一面大的主鏡面不同，我們建造了一面由18面六角形鏡拼合而成的鏡面，每一子鏡面寬1.3米，重約40千克（88磅）。它們共同組成了一個6.5米寬的蜂巢式鏡面。展開并不是望遠鏡在太空中經歷的唯一形變過程。在低溫下運行的挑戰令人生畏，并且會影響到設計和測試的各個方面。材料的尺寸會隨著溫度變化，通常在溫暖時膨脹，在寒冷時收縮。更重要的是，不同材料的形變方式也不相同。由于需要使用不止一種材料來建造韋布，所以我們必須考慮到每個部件自己的形變方式。這意味著需要開發新的工藝，在室溫下塑造和拋光光學表面是“完美錯誤”的，在低溫運作溫度下進行操作才是“完全正確”的。光學表面必須在經過反復測試、以及最終發射并冷卻下來后達到預期的形狀。

鈹成為首選的鏡面材料。鈹又輕又硬，在低于100開爾文的溫度下，它幾乎不會改變尺寸。然而，普通狀態下的鈹是變化莫測的，因此技術人員發明了一種新型的鈹微球粉末，然后研究小組通過高壓和加熱將其熔合成鏡面坯料。毛坯被加工、研磨和拋光后，技術人員就會馬上在每一面鏡子上涂上一層黃金，這會使得鏡面在反射紅外波長方面更加出色。

拼合鏡面以及其他光學器件和科學儀器，被安裝在由碳纖維石墨環氧樹脂的特殊材料制成的結構上，這種材質非常堅硬和牢固，而且在從室溫到低溫的各種溫度范圍內都相對穩定。

折疊天文臺

在早期韋布的概念研發過程中，大家對哈勃的球面像差記憶猶新。因此當構想一架新的空間望遠鏡時，人們自然而然會想到它的光學系統，想到如何制造和測試它們。但除了光學系統，韋布還需要更多東西。韋布是一架巨大的、冷冰冰的折疊天?臺，折疊起來的空間天文臺將在遠程命令的控制下在太空中展開，并在低溫下運行，這?切都提升了難度系數。

遮陽板：在這張攝于2014年的照片中，工程師們第一次將全尺寸測試遮陽板堆疊并展開。

2020年，一名技術人員小心翼翼地折疊真正的遮陽板，準備將望遠鏡裝載到發射裝置中。幾乎每一艘現代航天器都以某種方式展開或釋放，比如展開太陽能電池板。出于必要，韋布把在軌釋放和展開的技術發揮到了極致:. 望遠鏡的主鏡背板結構在發射時必須折疊起來，然后才能精確地展開。

. 主鏡的每個拼接部分必須能夠朝任意方向運動，這樣它們才能正確地對齊到百萬分之一毫米，并組合為一體。

. 副鏡必須安裝在鉸接的三腳架上，并且可以向任意方向移動。

. 望遠鏡的結構體在發射時與航天器總線相連，但是必須有一個伸縮塔能將結構體和總線分開，這樣才能避免望遠鏡受到來自航天器和遮陽板的任何機械振動或加熱的影響。

. 用于監控望遠鏡在太空中位置的星體跟蹤定位器連接在這個可伸縮的塔上，一旦進入太空則必須從航天器的總線上的發射鎖上松開。

. 各種散熱器也必須從發射鎖定狀態中釋放并展開，以實現隔熱和機械隔離。

遮陽板為裝載和展開工程帶來了前所未有的困難。遮陽板的作用是充當一把傘，保護望遠鏡不受太陽的熱量以及來自地球和月球的雜散光的影響。這種保護使得望遠鏡和儀器能夠將自身的熱量輻射出去，并在L2點的7開爾文溫度的深空中保持涼爽。遮陽板只需要讓總熱量的百萬分之一通過，就能將超過200千瓦的太陽輻射降低到零點幾瓦。它還需要覆蓋比望遠鏡本身更大的區域——大致相當于一個網球場——以便為望遠鏡提供足夠的蔭涼，盡可能大面積地觀測天空。

最后，它必須具備極輕的重量，在發射時能緊湊裝載，并可靠地展開。無論是對于地面上的多次測試還是太空中唯一一次機會，這都極為重要。由五層風箏形狀的薄如蟬翼的膜堆疊而成的設計滿足了這些要求。每一層膜的面積約為165平方米（1780平方英尺），表面涂有蒸鍍鋁膜。當展開時，每層膜之間的空間從中心到邊緣逐漸變寬。這使得沒有被反射出去的熱量被成功傳遞到下一層，然后傳導到膜邊緣，并向外散發至太空中。甚至膜的邊緣都以毫米精度排列，以確保膜邊緣被太陽加熱后發出的紅外光子不會傳入望遠鏡的光學系統，從而成為雜散光的來源。

龐大的儀器 工程師準備用于聲學測試的近紅外光譜儀。

作為韋布的最大構件，遮陽板的展開極為壯觀。石墨環氧樹脂框架將在發射時支撐Z型折疊薄膜，然后在太空中展開薄膜。一個由馬達、驅動桿、滑輪和電纜組成的復雜系統將展開遮陽板骨架并拉緊薄膜。由于薄膜和電纜是非剛性且松軟的，在太空的失重狀態下展開時，必須有數百個簡單、巧妙的條帶和彈性夾子來約束它們，以防止它們被卡住或者發生纏繞。

總的來說，航天器硬件的展開包括178個非爆炸釋放裝置，30種不同類型的40多次主要展開，155個電機，600多個滑輪裝置，以及總長度約為四分之一英里的近100根電纜。

超越現有技術

隨之而來的還有韋布上探測器所引發的進步。為了實現科學目標，紅外探測器必須比計劃開始時已經存在的探測器更好。工程師們不得不對電子設備進行改造，使探測器發出的任何“噪音”加上反射鏡本身發出的熱量，都小于黃道光——也就是內太陽系彌漫塵埃發出的背景光。這正是為什么會提出60開爾文要求的原因。觀測中紅外波長則需要更極端的方法。中紅外波段的探測器必須在低于7開爾文的溫度下才能工作，而僅僅通過呆在L2附近的太空是無法實現這一點的。相反，韋布需要自己的低溫制冷機，也因此需要更進一步的研發。

從主光譜儀的新型狹縫障板的發明到低溫測試的進展，許多技術都是為了讓韋布成為可能。當然，在漫長的開發過程中，我們必須跨越各種工程障礙，不過解決挑戰也正是讓這項工作有意義的重要部分。

此外還有國際化的障礙。科學界是世界性的團體，全世界的貢獻者從一開始就想參與這項任務。歐洲和加拿大的航天機構都在提供儀器和運行支持，歐洲空間局（ESA）也在負責發射任務。但是，即便是盟友之間共享信息，也要遵循法律規定。尋求與合作伙伴及其承包商的合作方法給這一過程增加了一定程度的困難，但科學能力的回報表明這一切都是值得的。

艙室A 韋布在2017年經歷了數月的低溫真空測試。

證明行之有效

韋布與其他航天器的一個主要區別在于，整個韋布天文臺無法在發射前作為一個完整的單元進行準確的測試：它太大、太復雜了。對于那些還記得哈勃第一次觀測宇宙時傳回的模糊圖像的讀者來說，這可能是非常傷腦筋的。需要說明的是，我們對韋布的光學系統進行了完整的整體測試，無法實現的是在地面上創造出韋布展開時將要面對的環境。我們無法在真空室內輕易模仿失重和執行展開，而復制韋布的熱狀態——一邊是強烈的陽光在加熱，而另一邊卻在經受極端寒冷，或者同時對真空中完全展開的天文臺運行完整的光學測試，都是不可實現的。

這使得工程師們將天文臺分成兩部分進行測試——將望遠鏡和儀器作為一個單元，將航天器總線和遮陽板作為另一個。每個單元都經過振動和沖擊測試，隨后在溫度控制的真空室內進行性能測試。組裝完畢后，天文臺又遭受了更多的振動，以驗證最終組裝的工藝。

我們從哈勃球面像差的經歷中學到了重要的一課：當你測試它們時，不要依賴于相同的光學工具。這意味著我們必須建造不同的設備來驗證、交叉檢查和光學測試整臺望遠鏡和儀器組件。測試需要一個真空室，能夠將整個望遠鏡和儀器組件冷卻到40開爾文左右，并抑制背景機械振動，存放精密的測試設備。

作為阿波羅計劃時代的遺產，NASA的約翰遜航天中心巨大的艙室A（譯者注：是一個直徑16.8米，高27.4米的艙室）被翻新和升級成為世界上最好的大型低溫真空光學測試設施。這個房間大約有九層樓高，比林肯紀念堂還要高——大到里面的空氣重達12噸（在測試前，里面的空氣被抽到只剩下2克）。工程師們把展開的飛行硬件放在一個桁架結構平臺上，然后通過軌道滾動到艙室底部，然后把它連接到懸掛在天花板上的長鋼條上。利用放置在腔內的鏡子、攝像機和其他經過仔細測試的儀器，我們成功對齊了所有的18個拼合部分，形成一面鏡子。我們還驗證了主鏡的形狀，對從副鏡的位置到望遠鏡獲取和跟蹤目標的能力等方方面面進行了測試。多年的精心規劃意味著，即使在2017年的這100天低溫真空測試期間遭受了哈維颶風的襲擊，我們也在沒有中斷的情況下完成了測試。

折疊發射試驗：望遠鏡成功地忍受了震耳欲聾的噪音和模擬 阿麗亞娜5號火箭發射時環境的顛簸振動。2020年的測試是 發射前的最后一次環境測試。

與此同時，為了證明天文臺不僅可以很好地處理來自太陽的熱量，并且可以對付自己電子設備所產生的熱量，我們必須綜合多個測試的結果。為了檢查遮陽板的設計，我們在一個可控溫的真空室中測試了一個1/3比例的展開的遮陽板模型。為了驗證望遠鏡和儀器在電子設備發出熱量的情況下仍能保持低溫狀態，我們建造并測試了韋布核心部分的全尺寸版本——天文臺的熱中央站，以確認熱量按照需要的方式移動。這種測試要求毫瓦級的精度。隨后我們將這些結果與總線加遮陽板組件的熱真空測試以及組裝的望遠鏡和儀器包的低溫真空測試的結果匯總到了一起。

最重要的是，我們對展開過程做了詳盡的、迭代的檢查。所有飛行可展開部件都已展開多次；例如，飛行遮陽板在飛行前已經被裝載折疊了四次，并展開了三次。天文臺的很多地方都可以折疊起來，所以每次裝載操作都像重新組裝一樣，有一套額外的檢查和預防措施。

半展開 遮陽板卷在展開的主鏡下面。在發射時，遮陽板會折疊并夾住鏡子。

打開韋布的宇宙之眼

從法屬圭亞那起飛，韋布將經歷6個月激動人心的試運行期。在歐洲空間局的阿麗亞娜5號火箭完成26分鐘的飛行后不久，航天器將根據存儲的命令自動分離并展開其太陽能電池板。在那之后，我們將在接下來的幾周內從地面啟動所有的后續展開，這與登陸遙遠火星的“恐怖7分鐘”形成了鮮明對比。對火星登陸來說，由于火星距離很遠，進入、下降和著陸的每一步都是預先編程和自動的——在地球上的工程師收到登陸開始的信號之前，一切都結束了。然而，韋布離我們只有幾光秒的距離，所以我們將能夠謹慎地展開。

韋布將花一個月的時間飛到L2，慢慢展開。遮陽板的展開從第2.7天開始，并在隨后的幾天內完成。一旦遮陽板開始展開，望遠鏡和儀器將進入陰影并迅速冷卻。在接下來的幾個星期里，項目小組將密切監測天文臺的冷卻情況，通過加熱器來防止泄漏的水分凍結在敏感的表面上。與此同時，副鏡三腳架將展開，主鏡將展開，儀器將慢慢啟動，在第29天，路程中段的機動調整將韋布送入L2附近的預定軌道。

一旦天文臺冷卻到足夠低且穩定的溫度，將花上幾個月的時間來校準光學器件和科學儀器。假定調試按計劃進行，科學運行將在發射后大約6個月開始。按照設計方案，韋布的任務壽命至少為5年，但也可能會持續10年以上，這取決于我們使用多少燃料來實現和維持L2的軌道，以及望遠鏡的組件在太空中退化的速度。像韋布這樣的旗艦型任務是跨時代的。因為任務艱巨，所以它們需要花費很長的時間；因為造價昂貴，所以它們需要花費很長的時間。韋布是修建在前人的經驗和教訓之上，如哈勃和斯皮策空間望遠鏡。反過來，它也將為未來大型空間天文臺的發展奠定基礎。

韋布空間望遠鏡發射直播畫面 / NASA

韋布是一臺非同尋常的機器。這是一項卓越的工程成就，充滿了科學潛力與前景。它的建立是為了探索宇宙學和天文學的前沿，從觀測宇宙黑暗時期的結束，到“嗅探”附近恒星周圍系外行星的大氣，也許還可以探測到使我們所知的生命成為可能的化學過程。但它最偉大的發現，極有可能是我們尚未提出甚?超乎想象的問題的答案。

作者簡介：1991年，副項目經理保羅·h. 蓋特納（Paul H.Geithner）來到美國航天局幫助修復和升級哈勃望遠鏡，自1997年起在韋布項目擔任過幾份工作。

譯者簡介：李海寧，中國科學院國家天文臺星云研究員，主要從事銀河系考古研究。

編輯：趙宇豪