出品：科普中國
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監制：中國科學院計算機網絡資訊中心
筆者第一次聽到詹姆斯·韋伯天文望遠鏡，是在童年時期的科普讀物《天文愛好者》中。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 （圖檔來源：NASA）
經過25年的籌備，曆經數十次延期與追加幾十億美元的投資後，根據NASA的官方消息，這架望遠鏡終于被運送至法國蓋亞那庫魯發射場，預計于2021年12月25日發射。
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這座20世紀90年代開始立項、原計劃于2007年發射的頂尖天文望遠鏡，擔負着探尋宇宙邊界、尋找大爆炸初期殘留在宇宙邊緣紅外線的重要任務。
梭哈百億美元上天，到底是為了看啥？
1996年，在聯邦太空探索計劃的支援下，美國宇航局、歐洲航天局與加拿大航天局展開國際合作項目，計劃研究并發射“下一代太空望遠鏡”。
2002年9月，這一項目以前美國宇航局局長詹姆斯·韋伯的名字重新命名，這便是天文學界大名鼎鼎的“詹姆斯·韋伯天文望遠鏡”項目。
詹姆斯韋伯天文望遠鏡（圖檔來源：NASA）
韋伯工作的地方在太空之中，距離地球150萬公裡的拉格朗日2點處。之是以選擇這麼遠的地方，和韋伯的特殊任務有關。
在天文學的研究中，紅外觀測是研究太空深處變化至關重要的一環。宇宙的真空中遍布着由天體運動變化所形成的塵埃團，這些塵埃能夠吸收大部分的可見光，并遮蓋住隐藏在背後的大量恒星與行星。而星體發射出的紅外光能夠穿透這團灰塵，幫助天文學界揭示隐藏在塵埃之後的奧秘。
在宇宙中捕捉星體發射的紅外光并非易事，特别是觀測的目标比較遙遠時。由于光源物體遠離觀測者運動，觀察到的電磁輻射頻率會是以降低，進而産生“紅移”現象，即光源物體光譜會從高能量的紫外線及可視光頻段減少至低能量的近紅外段。
是以，對這些遙遠目标（例如宇宙最初星系）的觀測需要超高精度紅外望遠鏡。這要求韋伯望遠鏡必須足夠大，并采用無鏡筒的開放式設計。
哈勃對猴頭星雲的可見光（左）和紅外視圖（右）的對比。紅外視圖能夠觀測到更多的星系 （圖檔來源：NASA）
在觀測宇宙大爆炸起源的第一代恒星時，由于紅移效應的存在，0.5微米的可見光會紅移至10微米的波段，且任何的可見光都會對其産生影響。由于地球發射的紅外光峰值也在10微米左右，這意味着地球本身就是一個強烈的紅外光污染源。
同時，這座望遠鏡必須在零下220度左右運作，以避免望遠鏡内部零件溫度輻射對紅外信号的幹擾。
拉格朗日點是太陽系中行星體引力産生平衡的點，在這一位置運作的物體會維持其穩定的運作狀态，并與地球同步進行公轉。在這一點韋伯望遠鏡的單向太陽盾能夠同時阻擋來自太陽、地球和月球的光污染，獲得更高精度的光譜觀測結果。
韋伯将在距離地球150萬公裡的拉格朗日2點（L2）處繞太陽運作，并與地球保持同步。 （圖檔來源：NASA）
韋伯望遠鏡是光學望遠鏡，發射成功後，它将成為哈勃望遠鏡的替代者與繼任者。同時，韋伯能夠探索到更長的光學波長，将超越哈勃的現有工作。
但是，由于拉格朗日點不在任何載人航天載具的運作範圍（40萬公裡）内，這意味着如果出意外，沒法對韋伯望遠鏡進行維修。所有的發射、展開與部署任務必須自行完成且一次成功，一經“出廠”終生不維護。
韋伯望遠鏡的總投入已超過88億美元，這無疑是一次“百億美元”級的豪賭。在NASA研究者的預想中，這架價值百億美元的望遠鏡預計使用壽命是五年。
龐大的硬核科技：韋伯聚集了人類最為極限的工藝結晶
為了探索宇宙大爆炸起源，韋伯望遠鏡聚集了人類現能達到的極緻工藝水準。
韋伯望遠鏡由一個觀測主鏡、一個網球場大小的五層太陽盾遮光闆、以及包含觀測裝置在内的四台頂級儀器組成。
它的主鏡片直徑為6.5米，受限于火箭尺寸，這一鏡片被細分為18面六邊形分鏡。為了抵禦零下220度鏡面的變形，鏡片使用堿土金屬铍進行制作，這一核心材料具有極強的抗彎剛度、極高的熱穩定性、極好的熱導率與極低的密度。
同時，鏡面加工的抛光誤差被控制在10納米内，約等于數十個铍原子的長度。在這些鏡片表面上，使用了黃金蒸發再凝固的極緻工藝，鍍上了一層标準120納米厚度的黃金塗層。為了對10納米内的微小形變進行校正，工程師還在子鏡片後加裝了7個微型電機，通過調節子鏡面的曲率與方位來保證鏡片的極緻平整。
由18個分鏡片組成的韋伯望遠鏡主鏡片（圖源：NASA）
為了最大限度地隔絕來自太陽與地球的紅外輻射污染，工程師為韋伯望遠鏡配備了300平米面積的五層太陽盾。這一太陽盾由電鍍形成的矽膜與鋁膜組成，其厚度約為25微米至50微米之間，大約是人頭發粗細的1/3左右。
這五層經過細緻加工的太陽盾，能夠将太陽輻射衰減近百萬次，并在正面與背面形成300攝氏度的溫差，進而将望遠鏡的工作溫度始終維持在零下230攝氏度左右。
5層設計的韋伯望遠鏡太陽盾 （圖檔來源：NASA）
此外，裝置内部還配置了一台用于記錄微弱信号的光譜儀、一台能夠同時觀測100個目标的可程式設計微快門照相機、一台能夠将溫度降低至接近絕對零度的冷卻器、以及一台低溫下工作的高敏度紅外線傳感器。
抵達工作點後，韋伯望遠鏡會花費數十日的時間，從壓縮包展開成為一個網球場大小的龐然大物。
詹姆斯·韋伯望遠鏡以其頂尖的加工工藝與高昂的造價，成為了人類航空航天與天文領域曆史上排名前五的項目。極緻的技術參數使它能夠傲視此前所有的太空望遠鏡，同時其有望将目前人類可觀測的宇宙半徑460億光年進一步擴大，并推進至宇宙時空的邊緣。
緊随其後：中國未來的空間光學望遠鏡
空間光學望遠鏡因其觀測環境純粹、受幹擾小，是現代天文學發展的絕對主力。
雖然我國的深空探測起步較晚，但發展速度不容小觑。
中科院經過數十年的技術積累與探索，成功立項的空間科學戰略先導科技專項拟發射4顆衛星，其中第一顆于2015年升空的探測衛星悟空号造價1億美元，成功完成了我國在深空暗物質探測領域的重大突破。
與此同時，陸續開展進行的天眼FAST與嫦娥工程探月項目，也标志着我國深空探索的諸多新成就。
預計到2024年左右，我國計劃發射“巡天”光學艙平台，并與中國空間站共用軌道。這台光學望遠鏡的分辨率與哈勃望遠鏡類似，預計視場為哈勃望遠鏡的300倍。
此外，中科院啟動了計劃2027年發射“增強型X射線時變與偏振天文台”（eXTP）的規劃，計劃建造全球頂尖的旗艦級天文台。這将成為我國天文望遠鏡研究的裡程碑，并起到後發先至的效果。
道阻且長，但人類探索宇宙的腳步不止。
參考文獻：
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[2] Lightsey, P. A., Atkinson, C. B., Clampin, M. C., & Feinberg, L. D. (2012). James Webb Space Telescope: large deployable cryogenic telescope in space. Optical Engineering, 51(1), 011003.
[3] Rieke, G. H., Wright, G. S., B ker, T., Bouwman, J., Colina, L., Glasse, A., ... & Waelkens, C. (2015). The mid-infrared instrument for the james webb space telescope, i: Introduction. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 127(953), 584.
[4] Gardner, J. P., Mather, J. C., Clampin, M., Doyon, R., Flanagan, K. A., Franx, M., ... & Wright, G. S. (2009). The James webb space telescope. In Astrophysics in the Next Decade (pp. 1-29). Springer, Dordrecht.