中原標準時間2021年12月25日20:20，“詹姆斯·韋布”空間望遠鏡（JWST）在法屬蓋亞那，由阿麗亞娜5号運載火箭發射升空。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡升空瞬間|圖源：NASA
被大家戲稱為“鴿王”的詹姆斯·韋布空間望遠鏡(James Webb Space Telescope, JWST) 終于在12月25日20:20（中原標準時間）發射升空。作為有史以來最大最強的空間望遠鏡，韋伯的有效直徑達到6.5米，由18個六邊形的凹面鏡組合而成，巨大的尺寸使它能夠觀測到非常暗弱的天體。它的名字來源于美國宇航局(NASA)的第二任局長，阿波羅登月時期的美國宇航局就是由他上司的 ，可能也是希望它帶來登月級别的突破吧。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡|圖源：NASA
01燒錢的“鴿王”
早在哈勃望遠鏡發射的前一年，1989年9月，一場研讨會在位于美國巴爾的摩的空間望遠鏡研究所召開，主題是“下一代：哈勃的10米級紫外可見光及紅外繼任者”，會上科學家們提出了許多設想。相比于哈勃，這台還在概念設計階段望遠鏡将會擁有比哈勃大數倍的主鏡和強大的紅外觀測能力。這台未來空間望遠鏡的設計在之後的幾年中逐漸形成，當時被稱為下一代空間望遠鏡NGST，而它正是現在詹姆斯韋布望遠鏡的雛形。
概念設計圖|圖源：NASA
7年之後的1996年，在美國宇航局的支援下韋布望遠鏡開始研制，2002年被正式命名為詹姆斯韋布空間望遠鏡。這台望遠鏡無疑是人類設計過的最大最複雜的空間望遠鏡，技術難度巨大，導緻它的命運并非一帆風順，1999年美國宇航局曾定下2007年的發射目标，然而發射時間卻一再“放鴿子”一直到了今年，以至于獲得了“鴿王”的稱号。
發射時間與預算變化
導緻發射推遲的最重要的原因在于韋布望遠鏡的身上有許多首次應用的新技術，像輕量化的光學元件、可以展開的薄膜遮陽闆、折疊鏡片、低溫促動器等等。宏偉的科學目标和巨大的工程難度使得應用甚至開發新技術成為了必然，但同樣不可避免的是這些新技術的開發和驗證既消耗時間也消耗經費。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡的鍍金鏡面|圖源：NASA
韋布望遠鏡的研發團隊面臨的其中一個挑戰就是輕量化的主鏡鏡片。如果韋布采用哈勃望遠鏡上的類似鏡片等比例放大到6.5米直徑的話，整個主鏡的重量将會超出火箭的運載能力，是以必須研發出一種在同樣面積下重量隻有哈勃鏡片十分之一的鏡片。最終研發團隊選擇了用铍制成鏡片，為了獲得對紅外光的高反射率還需要在表面鍍金，這樣既滿足光學性質，又滿足低溫下的結構強度，還非常輕量化，18塊鏡片中每一塊隻有20千克。
在設計之初，韋布望遠鏡計劃的預算是16億美元，而現在整個韋布望遠鏡的花費（包括運作費用）預計将會達到97億美元，當之無愧是目前最貴的火箭載荷。這期間韋布的研發經曆了很多當初沒有想到的問題，除了新技術新裝置研發難度大之外，發射日期的延誤也導緻了費用的增加。由于韋布望遠鏡研制參與人員數量龐大，延誤的每一天，僅薪水這一項支出就不是一筆小數目。另外韋布望遠鏡需要長期在昂貴的無塵室之中存放，而它在無塵室裡每待一天，都在拼命燒錢。由于經費問題，韋布最接近被取消的一次是在2011年，在美國國會衆議院7月份通過的2012财年預算草案中，韋布望遠鏡項目被認為是“超數十億美元預算并且管理不善”，好在在天文界和一部分議員的大力支援下，11月份美國國會還是決定追加預算支援韋布望遠鏡項目。
02
它才是“變形金剛”
經曆了坎坷的研發曆程，2016年韋布望遠鏡終于基本完工，随後又經曆了長達數年的漫長測試和數次延期，2021年10月韋布望遠鏡終于出發前往位于法屬蓋亞那的庫魯航天中心，在那裡和阿裡亞納5号運載火箭會合。由于韋布的主鏡直徑達到了6.5米， 沒有現役火箭的整流罩能夠大到整個将它整個裝進去，是以韋布必須被設計成折疊式的，發射時它将會以一個非常緊湊的折疊形态裝入火箭的整流罩中，在發射升空之後再按照程式設計自行展開，僅僅這一點就使得這台望遠鏡在工程上的難度大大增加。
韋布望遠鏡在發射時折疊後的形态|圖源：NASA
對天文學家和每一個參與項目的人來說，發射之後的第一個月将是非常緊張的，因為韋布需要自行在太空中完成數千個提前設計好的動作來展開，其中任何一個動作不能完成都會導緻其無法正常工作。在與火箭分離之後，韋布望遠鏡首先需要做的動作是展開太陽帆闆和将通信天線對準地球，随後展開五層遮陽薄膜，最後展開副鏡和主鏡，中間還需要者展開數十個小部件并完成數次軌道修正。一個月之後，韋布望遠鏡終于完全展開并且抵達觀測軌道，接下來它還需要完成冷卻的工作（發射後10多天就開始了），讓背對太陽的一側冷卻到零下200多攝氏度，最後還需要進行一系列科學裝置的開機測試和校準工作，是以大約發射之後6個月才能開始科學觀測。對于熱切地等待韋布望遠鏡發來新的太空美圖的大家來說，發射之後還要再耐心地多等幾個月。
韋布望遠鏡展開的過程|圖源:NASA
與哈勃不同的是，由于觀測條件的要求，韋布望遠鏡工作的軌道将會在日地L2拉格朗日點附近，距離地球大約150萬千米（而哈勃距離地面僅有數百千米）。遠離地球意味着可以不受地球輻射的影響，也可以相對友善地遮擋太陽光。然而這也同樣帶來了一個問題，那就是無法維修，一旦望遠鏡出現任何問題就隻能依賴于遠端解決，或者利用望遠鏡自身的備援設計，在主要裝置不工作時啟用備份裝置。當年哈勃上天之後不久就出現“近視”，但由于哈勃運作在近地軌道，宇航員乘坐航天飛機捕捉到哈勃之後，給它加裝改正鏡才糾正了視力。而韋布望遠鏡就沒有這樣的機會了，是以對關鍵裝置必須有備用選項，并且在地面反複測試再測試，確定升空之後不會出現意想不到的問題。
（未完待續）
參考資料：JWST官網、STScI網站、維基百科
作者：Lejay，加拿大聖瑪麗大學在讀天體實體學博士