在經(jīng)歷了近25年的探索和多次推遲后，北京時(shí)間12月25日20點(diǎn)20分，哈勃望遠(yuǎn)鏡“繼任者”美國國家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于點(diǎn)火發(fā)射，正式開啟自己的太空之旅。

在未來的幾個(gè)月，這個(gè)人類歷史上最大、耗資近100億美元的太空天文臺(tái)將飛到地球和太陽之間的引力平衡點(diǎn)，展開折疊的天線、遮陽板、鏡片，對宇宙起源進(jìn)行探索。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，縮寫為JWST，簡稱：韋布空間望遠(yuǎn)鏡）原計(jì)劃于2007年發(fā)射，它的“前輩”哈勃空間望遠(yuǎn)鏡于1990年成功發(fā)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(gè)資深“鴿王”，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時(shí)間是一拖再拖，從2007年，一直拖到現(xiàn)在。相比哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不過600公里的離地高度，“新官上任”的韋布空間望遠(yuǎn)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(yù)計(jì)將觀測到136億年前宇宙誕生的第一批星系所發(fā)出的光。

注：根據(jù)天文學(xué)名詞審定委員確定的望遠(yuǎn)鏡中文名稱，本文將James Webb Space Telescope譯為詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡。

01飛離地球，韋布望遠(yuǎn)鏡將奔向150萬公里外的星空

北京時(shí)間12月25日20點(diǎn)03分，多次推遲發(fā)射的韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于進(jìn)入發(fā)射前最后準(zhǔn)備階段。這一太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目集結(jié)了NASA、歐洲航天局和加拿大航天局三大航天局的技術(shù)力量。

▲裝載韋布空間望遠(yuǎn)鏡的阿麗亞娜5號(hào)火箭已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，技術(shù)人員密切關(guān)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(shù)人員密切關(guān)注著韋布空間望遠(yuǎn)鏡的各種儀器和參數(shù)，等待著發(fā)射指令的到來。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡被安裝在阿麗亞娜5號(hào)火箭上（來源：歐洲航天局）

本次發(fā)射使用的是法國大型火箭企業(yè)阿麗亞娜航天公司（ArianeGroup）的阿麗亞娜5號(hào)（Ariane 5）火箭，通過火箭適配器，韋布空間望遠(yuǎn)鏡被安裝在阿麗亞娜5號(hào)火箭的上級(jí)面。

北京時(shí) 間20點(diǎn)20分，阿麗亞娜5號(hào)火箭開始點(diǎn)火發(fā)射，火箭以近乎垂直的狀態(tài)迅速爬升。

大約2分鐘后，火箭助推器和阿麗亞娜5號(hào)火箭分離，助推器墜入大西洋，火箭繼續(xù)飛升。

緊接著，飛出大氣層的阿麗亞娜5號(hào)火箭打開并分離保護(hù)韋布望遠(yuǎn)鏡等載荷的整流罩。

地面團(tuán)隊(duì)在發(fā)射后大約五分鐘開始接收從韋布空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)來的遙測數(shù)據(jù)。

大約北京時(shí)間20點(diǎn)28分，一級(jí)火箭開始進(jìn)行分離，上面級(jí)運(yùn)載火箭攜帶著韋布空間望遠(yuǎn)鏡奔向離地球更遙遠(yuǎn)的太空。

在調(diào)整到合適姿態(tài)后，發(fā)射后約27分鐘時(shí)，韋布空間望遠(yuǎn)鏡開始與上面級(jí)運(yùn)載火箭進(jìn)行分離。

大約在北京時(shí)間20點(diǎn)50分，韋布空間望遠(yuǎn)鏡上的太陽能電池陣列開始自動(dòng)部署，韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于取得了第一階段的成功，不過未來，它還會(huì)迎來諸多挑戰(zhàn)。

發(fā)射12小時(shí)后，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)進(jìn)行第一次軌跡修正機(jī)動(dòng)，大概北京時(shí)間12月28日8點(diǎn)20分時(shí)，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)進(jìn)行第二次軌跡修正。技術(shù)人員將持續(xù)跟蹤韋布空間望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行狀態(tài)。

▲韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前和前30分鐘發(fā)射過程（來源：歐洲航天局）

在接下來的近一個(gè)月里，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)逐漸展開并調(diào)整狀態(tài)，在太空中進(jìn)行一系列比試驗(yàn)時(shí)任何測試都更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，據(jù)技術(shù)人員估算，韋布空間望遠(yuǎn)鏡至少有344個(gè)潛在的故障點(diǎn)位，遠(yuǎn)離任何宇航員或機(jī)器人的幫助，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的未來充滿未知。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)會(huì)飛到L2點(diǎn)，然后開始繞日運(yùn)行（來源：歐洲航天局）

最終，韋布空間望遠(yuǎn)鏡將飛過月球軌道，達(dá)到其目的地：第二拉格朗日點(diǎn)（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(yuǎn)鏡將在該軌道上穩(wěn)定繞日運(yùn)行。接下來，天文學(xué)家將花費(fèi)6個(gè)月的時(shí)間調(diào)整、測試和校準(zhǔn)韋布空間望遠(yuǎn)鏡這只用來看宇宙的新“眼睛”。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡展開和姿態(tài)調(diào)整的第一步是彈出天線，并將天線瞄準(zhǔn)地球，從而實(shí)現(xiàn)韋布空間望遠(yuǎn)鏡和地球的通信。

然后，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)打開網(wǎng)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(zhì)塑料薄片制成的遮陽板，讓韋布空間望遠(yuǎn)鏡逐漸降溫。

最后，18個(gè)鍍有金的鈹材料制成的六角形鏡片會(huì)重新進(jìn)行組合，形成一個(gè)6.5米寬的分段鏡子。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)5到10年，NASA預(yù)計(jì)該望遠(yuǎn)鏡會(huì)在2022年夏天拍攝出第一張科學(xué)照片。

02一個(gè)網(wǎng)球場大小的望遠(yuǎn)鏡捕捉136億年前星象

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡名字來源于NASA第二任局長詹姆斯·韋布，他曾領(lǐng)導(dǎo)美國阿波羅登月計(jì)劃。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡占地面積足足有一個(gè)網(wǎng)球場那么大，發(fā)射質(zhì)量約6200公斤，包括天基部分（天文臺(tái)）、在軌耗材和運(yùn)載火箭適配器。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡（來源：歐洲航天局）

天基部分（天文臺(tái)）是韋布空間望遠(yuǎn)鏡的功能主體部分，由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡元件、綜合科學(xué)儀器模塊、遮陽板和航天器支持系統(tǒng)組成。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖（來源：歐洲航天局）

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡元件由多級(jí)鏡片構(gòu)成，包括18個(gè)獨(dú)立六邊形鍍有黃金的超輕鈹材料制成的主鏡、多個(gè)直徑0.74米的圓形次鏡，以及包含在尾部的光學(xué)子系統(tǒng)中三級(jí)反射鏡和精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡。

▲技術(shù)人員正在安裝中紅外儀器和近紅外相機(jī)（來源：NASA）

綜合科學(xué)儀器模塊由近紅外光譜儀（NIRSPEC）、中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機(jī)（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(yuǎn)鏡進(jìn)行分析和成像。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡技術(shù)人員在升級(jí)、調(diào)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(shè)備是韋布空間望遠(yuǎn)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?？斓乃俣冗h(yuǎn)離地球，這些恒星和星系發(fā)出的光也就轉(zhuǎn)換到更長、更紅的波長上。130億年前從一個(gè)“嬰兒”星系發(fā)出的藍(lán)光，在如今到達(dá)我們地球人類面前時(shí)，已經(jīng)擴(kuò)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡的熱量就不會(huì)干擾被探測到的熱量，也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，遮陽板將在永久寒冷的黑暗中遮蔽著韋布空間望遠(yuǎn)鏡。

22×12米的五層遮陽板將韋布空間望遠(yuǎn)鏡的天基部分隔成2部分，一部分是航天器所在朝陽側(cè)，一部分是需要超低溫度的防日曬側(cè)。遮陽板將韋布空間望遠(yuǎn)鏡和儀器永久保持在陰涼側(cè)，使其溫度降至-233攝氏度。中紅外儀器將通過使用創(chuàng)新的冷卻系統(tǒng)，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(jù)美國國家航天局（NASA）稱，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的視野將超越哈勃空間望遠(yuǎn)鏡所能看到的范圍，并可以捕捉到136億多年前出現(xiàn)的一些第一批恒星和星系的圖像。

03觀測能力是哈勃的100倍還能看不可見光

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是人類歷史上最重要的天文太空望遠(yuǎn)鏡之一，而韋布空間望遠(yuǎn)鏡的太空觀測靈敏度是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的100倍。

▲哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（來源：NASA）

據(jù)韋布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目跨學(xué)科科學(xué)家的羅吉爾·溫德霍斯特介紹，從1990年發(fā)射，到現(xiàn)在哈勃空間望遠(yuǎn)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(kuò)展了科研人員對行星如何形成的理解。

▲哈勃空間望遠(yuǎn)鏡近期拍攝的照片（來源：NASA）

但哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)初衷是捕捉可見光，不過可見光僅是恒星和其他天體發(fā)出光譜的一小部分，相比之下，韋布空間望遠(yuǎn)鏡可以捕獲一系列人眼看不到的紅外線。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡可觀測到90-2500nm范圍內(nèi)的光（紫外線到近紅外光），而韋布空間望遠(yuǎn)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(xì)節(jié)（來源：NASA）

NASA曾經(jīng)在2004年發(fā)布了哈勃空間望遠(yuǎn)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(nèi)誕生的星系。

▲哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的超深場照片（來源：NASA）

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張照片顯示了10000個(gè)光芒微弱的星系，還包括一個(gè)幾乎肉眼看不見的紅色斑點(diǎn)，這個(gè)紅色斑點(diǎn)其實(shí)是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡捕獲到的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系發(fā)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13.4萬億年前，溫德霍斯特曾這樣形容哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡的能力更強(qiáng)，通過結(jié)合其裝備的紅外探測器和大型鏡片，韋布空間望遠(yuǎn)鏡能夠更詳細(xì)地追蹤那個(gè)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍到的紅色斑點(diǎn)以及天空中的許多其他“斑點(diǎn)”。

通過韋布空間望遠(yuǎn)鏡，人類能夠發(fā)現(xiàn)新的恒星和行星，因?yàn)轫f布空間望遠(yuǎn)鏡可以感應(yīng)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(fā)現(xiàn)。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡和哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的尺寸比較（來源：NASA）

望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的鍍金鏡片寬度為6.5米，是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡鏡片寬度的3倍，這意味著韋布空間望遠(yuǎn)鏡可以捕獲非常詳細(xì)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(yuǎn)鏡要探測宇宙星系發(fā)出的紅外線，而任何絕對零度以上的物體都會(huì)發(fā)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(yuǎn)鏡的運(yùn)行軌道離地球更遠(yuǎn)，不像哈勃空間望遠(yuǎn)鏡是在離地球非常近的軌道上運(yùn)行的。

04探索25年堪稱“鴿王”，耗費(fèi)100億美元

早在1990年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，天文學(xué)家就在爭論接下來發(fā)射的空間望遠(yuǎn)鏡是什么樣的。

在1993年，NASA要求美國一個(gè)天文學(xué)家委員會(huì)來確定這些內(nèi)容。

該委員會(huì)提議建造一臺(tái)強(qiáng)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(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡的直徑至少要4米（哈勃空間望遠(yuǎn)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(shè)費(fèi)用。

1995年，這個(gè)委員會(huì)主席德雷斯勒就這些建議向時(shí)任NASA局長的丹·戈?duì)柖∽髁撕唸?bào)。

丹·戈?duì)柖?dān)心4米寬的望遠(yuǎn)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(xué)會(huì)的一次會(huì)議時(shí)，說德雷斯勒和他的天文學(xué)委員會(huì)過于謹(jǐn)慎，丹提到新的望遠(yuǎn)鏡將會(huì)有8米寬，在功率、成本和開發(fā)時(shí)間上都會(huì)有一個(gè)巨大的飛躍。望遠(yuǎn)鏡的尺寸增加了一倍，無法安裝在任何現(xiàn)有的火箭上，這意味著望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡在1996年正式啟動(dòng)，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(yuǎn)鏡的寬度是6.5米，幾乎是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的三倍，收集光線的能力也提升了，是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的7倍。

但是開發(fā)和建造韋布空間望遠(yuǎn)鏡還充滿著各種挑戰(zhàn)。

最開始，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算是5億美元，后來，預(yù)計(jì)耗資50億美元，但最終，到目前，韋布空間望遠(yuǎn)鏡耗時(shí)25年，花費(fèi)將近100億美元，才終于通過檢測，成功發(fā)射，比最初計(jì)劃的2007年，晚了14年。

其中設(shè)計(jì)可折疊的望遠(yuǎn)鏡鏡片和遮陽板尤為困難，2018年時(shí)，遮陽板在展開過程測試中被撕破，韋布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目再次受挫。

▲韋布空間望遠(yuǎn)鏡乘運(yùn)輸船到達(dá)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(yuǎn)鏡準(zhǔn)備就緒，2021年10月時(shí)，韋布空間望遠(yuǎn)鏡乘運(yùn)輸船到達(dá)本次發(fā)射地法屬圭亞那歐洲太空港，不過當(dāng)技術(shù)人員準(zhǔn)備將其和火箭適配器連接時(shí)，一個(gè)夾子意外松開，整個(gè)裝置劇烈震動(dòng)，為了檢測是否有影響，發(fā)射日期再次推遲。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年12月14日，NASA再次聲明稱，韋布空間望遠(yuǎn)鏡存在望遠(yuǎn)鏡和運(yùn)載火箭系統(tǒng)通信問題，使韋布空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射再次被推遲。不過，在技術(shù)人員的努力下，問題順利解決，12月25日，韋布空間望遠(yuǎn)鏡正式飛向太空，開始它的觀測之旅。

05結(jié)語：太空觀測新時(shí)代大幕拉開

從韋布空間望遠(yuǎn)鏡的建造歷程來看，太空望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)除了需要大量資金支持外，技術(shù)門檻也非常多。

觀測宇宙星系，太空望遠(yuǎn)鏡是不可或缺的重要設(shè)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(jì)劃發(fā)射巡天空間望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)更多未知天體。

隨著韋布空間望遠(yuǎn)鏡以及未來更多的太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射成功，將會(huì)有更多以前拍攝不到的宇宙圖景被一一解開。

本文來自微信公眾號(hào)“智東西”（ID：zhidxcom），作者：楊暢 ，編輯：心緣，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。