詹姆斯·韦伯太空望远镜

天文界最近的大热点，莫过于“鸽王”——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）——终于迎来了飞向太空的准确日子，2021年12月22日（这次是真的吗）。这架太空望远镜于1996年立项时，目标是2007年上天。然而它命运多舛，经历了不断的拖延、追加经费、乃至几乎流产等一系列折腾，活活拖了14年。现在它（好像）真要出发了，怎不令人心潮澎湃？

为什么詹姆斯·韦伯望远镜如此能鸽呢？它去太空做什么？我们来聊聊。

先说说“詹姆斯·韦伯”这个名字。詹姆斯·韦伯（James Webb）是NASA的第二任局长。他主持过的最著名的项目，就是“阿波罗”登月计划。他在任期间，NASA完成了不下75次发射，其中有美国最初的太空环境研究、载人航天和行星际探索任务。

为了表述方便，下文提到“韦伯望远镜”、“韦伯”、“望远镜”或其他足以识别身份的名称时，指的都是本文的主角，詹姆斯·韦伯太空望远镜。

为什么韦伯望远镜成了“鸽王”？暂且按下不表，我们先说说它上天去做什么。了解它的任务和工作方法之后，这个问题也就有了答案。

韦伯望远镜最初的名字是“下一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope），“下一代”是相对哈勃太空望远镜而言的。它的官方定位是哈勃继任者，主要任务是要比哈勃看到更深更远的宇宙深空，追溯宇宙在132亿年以前、刚刚形成初代恒星和星系时的婴儿期相貌。它的观测结果，将为宇宙的早期演化史提供重要数据。

光的传播需要时间。我们看到的总是1纳秒前的屏幕、1秒前的月亮、500秒前的太阳、102个月前的天狼星、1340年前的猎户座大星云、250万年前的仙女座大星系。视线越远，看到的景象就越古老。所以，韦伯望远镜的原理很“简单”：使劲往远处看就是了。

可是，宇宙空间在不断地膨胀。初代恒星的星光，出发时还是紫外线和可见光，百亿年后到达地球时，已经被宇宙膨胀抻成了橙红色光和红外线。当研究近处孕育的新恒星时，能从星云尘埃中跑出来报信的，也是波长较长、衍射能力较强的红外线。所以，韦伯在0.6~28微米的波段工作，对应的色彩是橙至红外。

我们眉头一皱，发现事情不那么简单了。

地球大气层对于红外线只能做到半透明，还不是信号变弱的问题，而是几个波段根本不予放行。从时空尽头远道而来的红外线，本已奄奄一息，经过大气过滤后，更是缺斤少两。另外，凡有热处就有红外辐射，温暖的地球大气，本身就是巨大的红外干扰源。因而，在地面上无法研究宇宙最深处传来的红外线。那些强大的地面望远镜，如中国“天眼”FAST、甚大天线阵VLA，在建的欧洲极大望远镜E-ELT，都不适合做这方面的研究。

怎么办？浮出大气层，到太空中去！哈勃望远镜的轨道够不够？不但不够而且很不合适。哈勃在540公里的高度绕地飞行，这里依然有稀薄的大气，并且无法逃避红外烘烤——当飞到白昼区时，如果扭头不看太阳，就躲不开地球那张明晃晃的大脸——被照亮的望远镜本身也会制造红外辐射干扰。哈勃不太在意这个，是因为它主要工作在紫外和可见光波段。

所以，韦伯望远镜的最终选址，是日地拉格朗日点L2。如果读者不熟悉这个词，只需要知道它是个有趣的位置：在这里的小天体，比地球离太阳远，却能和地球以相同周期绕日公转。L2处于地球轨道外围，距地150万公里（地月距离的4倍）。这里没有大气，并且太阳、地球、月球这些干扰源都在同一方向，只要把这个方向挡住，就能够心无旁骛地静听宇宙深处传来的第一声婴啼。

确切地说，韦伯望远镜并非固定在L2上，而是围着L2画圈飘荡（原理不重要，在此不赘）。为了把各个可能角度的阳光遮挡严实，韦伯望远镜配备了一个巨型遮光罩。它大致是个菱形大风筝形状，长径21米，短径14米，面积堪比一个网球场。这个遮光罩共有五层镀铝（前两层掺杂硅）的聚酰亚胺膜，每层膜薄如办公用的透明胶带，并且互相分离。

多层分离是有道理的：假如只有一层，不论它有多厚，即使镀上反光材料，阳面的残留热量还是会传导到阴面，变成红外干扰。而在多层膜之间，热量只能通过辐射传递，最终呈指数衰减。测试数据表明，遮光罩的阳面接受300千瓦的辐射功率时，阴面只有23毫瓦的输出。这样的性能，足以让望远镜稳在-220℃以下安心工作。

观测点选好了，太阳光挡上了。解决了信号干扰问题，还有其他问题等着。

作为“下一代”望远镜，韦伯看到的图像要和哈勃一样锐利，但它看的是波长更长的红外线，所以它需要一个更大的镜面才能胜任。想想那些射电望远镜或镜阵，个个都是巨锅，正因为它们侦测的波长更长。

韦伯望远镜有一个直径6.5米的主镜，相比之下，哈勃的主镜直径只有2.4米。韦伯的主镜面积25.4平方米，是哈勃的6.25倍。这面巨镜的性能相当卓越：在2微米的红外波段，韦伯的分辨力可达0.1角秒，相当于站在80公里外看一个乒乓球。它能看到比哈勃观测极限还要暗几十倍的天体，是人类肉眼观测极限的100亿倍。

有趣的是，韦伯的大镜子竟然比哈勃的还要轻（625公斤：1000公斤）。这里又有高科技了：韦伯的镜板是金属铍，而哈勃用的是玻璃。铍是第四号元素，密度只有水的1.85倍。它够轻，够硬，在望远镜所在的极冷环境下，形状比玻璃的还稳定。美中不足是它颜色灰暗，反射率不佳，所以人们在铍镜面上镀了一层0.1微米厚的金，世界重归完美。

最后，我们该如何把直径6.5米的主镜面、外加一个网球场大小的遮光罩送上太空呢？只有层层折叠后塞进火箭，到了太空再展开。韦伯的主镜不是铍板一块，而是由18面正六边形小镜拼接成的。为了使展开后的主镜精准对焦，每块小镜的微调系统要求5纳米的步进精度。展开遮光罩是个更加复杂的任务，需要大约7000个零件协同工作，才能把5层薄膜展开、铺平、绷紧、隔离。

回顾一下，到此为止，目标→问题→解决方案依次是：

回溯时间、观测深空天体→宇宙膨胀使信号变成红外线→那就观测红外线→①地面上无法观测→去拉格朗日点，加遮光罩→②波长太长→加大镜面→镜面太重→用金属铍→铍颜色太灰→镀金→③个头太大→分块折叠、上天展开。

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