“韋伯”太空望遠鏡終于發射升空！耗資百億美元，14年前就計劃将其發射至太空，為何拖了這麼久？它與“哈勃”有何不同？

整理/新媒體編輯 段大衛

北京時間2021年12月25日20點20分,在發射延遲數年後，哈勃太空望遠鏡“繼任者”—— 詹姆斯・韋伯太空望遠鏡從法屬圭亞那庫魯航天中心發射升空。

據介紹，韋伯太空望遠鏡耗資約 100 億美元，比哈勃望遠鏡大六倍，有望觀測到 135 億年前的宇宙。

▲韋伯望遠鏡集成科學儀器模塊内各儀器圖示及發射運行過程等相關展示（圖片來源：《北京科技報》）

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二十五年“磨”一鏡

▲地球（藍色點）-太陽（黃色點）兩體體系的五個拉格朗日點（綠色點）

從1996年開始，美國宇航局從尋找建造這個新式空間望遠鏡計劃至今已經有25個年頭。韋伯望遠鏡作為美國宇航局史上最複雜的項目之一，其風險是巨大的。“韋伯”太空望遠鏡将放置于太陽─地球的第二拉格朗日點，距離地球150萬公裡遠（地球與月球平均距離38萬公裡），由于距離地球太遙遠無法派宇航員進行維修保養，所以它的設計制造必須完美無缺，否則将功虧一篑！因此一旦在測試中發現任何未知問題，都會導緻發射被推遲。

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“三位一體”的光學組件

韋伯望遠鏡的光學系統組件是最重要的有效載荷，具有等效口徑大、境面反射率高、極冷環境佳和聚焦精度好這幾個特點，顯示出技術和工程上的創新。光學系統組件是一個“三鏡系統”，包括主鏡（一級）、副鏡（二級）和第三個鏡面——光學子系統，完整的光學系統組件像一架射電望遠鏡。

▲光學組件工作原理

主鏡最大最重，需要一個大型支撐結構，很難磨制成單一鏡面，且現有運載火箭整流罩内也無法裝下，因此主鏡面由18塊獨立的六邊形鏡片組成。六邊形鏡片很容易無縫拼接在一起形成近圓形的主鏡面，每個鏡片的等效直徑為1.32米，拼接完成後的主鏡面抛光總面積達26.3平方米，除去副鏡和支撐支柱的遮擋部分，有效收集面積為25.4平方米，遠遠超過哈勃望遠鏡的主鏡。

為使主鏡各鏡片能夠精确聚焦，除加工時保持極高的精度外，每個鏡片背面裝有6個微型驅動馬達，主鏡中心還有一個馬達，用于調整曲率。而為了将主鏡各鏡片對齊，形成單一的大鏡子，每個鏡片都對齊到頭發厚度的萬分之一。加上其他儀器的調整動作，整個望遠鏡共裝有132個微型馬達。

▲鏡片背部結構

經過多道工序，铍鏡片最後的質量為20千克，單位面積質量僅為哈勃望遠鏡主鏡的十分之一。加上馬達等部件，鏡片總質量也僅40千克，主鏡總質量約720千克。

第三級鏡面是可精細調整的後視鏡，位于主鏡中心突出的黑色鼻錐内，也稱為後光學子系統。主鏡捕獲的光線經反射後，被聚焦于副鏡上，副鏡将光線反射到第三級後鏡上，再射向可精細調整的後鏡，最後聚焦于主鏡後面排列的科學儀器上。該部位安裝着星光分析設備或相機，使望遠鏡的視野十分開闊。

作為哈勃望遠鏡的後繼者，它将在哈勃望遠鏡的基礎上提供改進的紅外分辨率和靈敏度，且紅外波譜更寬，觀測能力更是哈勃望遠鏡的100倍。這對于天文觀測來說是一個相當大的提升。

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更強大 更“冷酷”

▲左：“韋伯”望遠鏡 右：“哈勃”望遠鏡 （圖源：百度百科）

和“哈勃太空望遠鏡”相比，在外型上，“詹姆斯·韋伯”與“哈勃”望遠鏡幾乎完全不一樣。韋伯望遠鏡沒有鏡筒，望遠鏡的鏡筒主要是為了防止雜光影響成像和觀測，望遠鏡越大，所需要的鏡筒也越大越重。韋伯望遠鏡取消了鏡筒，極大的降低了發射的重量，但是為了阻擋雜光的影響，它配備了巨大的遮陽裝置。

▲韋伯望遠鏡的鏡面。（圖源網絡）

▲在諾斯羅普·格魯曼集團的廠房裡進行展開的五層遮陽傘。值得一提的是，2018年3月，遮陽傘在測試中破了一層，直接導緻進度推遲至少六個月。（圖源網絡）

遮陽裝置的使用，使韋伯望遠鏡具有了降至極低溫度的能力。哈勃望遠鏡通常維持15攝氏度工作，僅針對可見光和近紫外光進行觀測。但是韋伯望遠鏡被設計成可以将自身溫度降低到-223攝氏度之下，因為自身的溫度一旦超過了-223攝氏度，它本身的紅外輻射就會掩蓋掉來自宇宙深處微弱的光量子，韋伯望遠鏡為了觀測到近紅外光，足足配備了五層遮陽傘，每層有一個網球場那麼大。遮陽罩第一層直接面向太陽，厚度僅0.05毫米，其他四層則為0.025毫米，而第五層主要用于防止缺陷、微流星撞擊等。

從面積和形狀看，第一層面積最大，且相對平坦；第五層面積最小，彎曲度最大。層間的間隙提供了額外的絕緣效果，各層之間中心間距最小，邊緣處間距最大，可以将熱量從中心引導到外部，最後散發到空間。每層遮光罩都塗有約100納米的鋁，高反射鋁表面可以将剩餘的能量從遮陽層邊緣的縫隙中反射出來。

兩個最熱的層（第一、二層）面向太陽側還有摻雜約50納米厚的矽塗層，将熱量反射回太空，并提高其在太空環境中的光學性能和使用壽命。通過遮陽罩可将多餘的光和熱進行反射，因此就可以觀察到能量低，行星、塵埃盤等之前未觀察到的天體了。但針對目前的火箭運載技術來說，完全展開韋伯望遠鏡進行發射還是不切實際的，因此韋伯望遠鏡的遮陽傘與鏡片在發射時會折疊起來，在發射後按規定步驟再展開。

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“四大件”保障平穩運行

集成科學儀器模塊為一個整體，是為韋伯望遠鏡提供電力、計算資源、冷卻能力以及結構穩定性的框架，由粘結石墨環氧複合材料制成，附着在韋伯望遠鏡結構的底部，擁有四台科學儀器和一台引導攝像機。

▲集成科學儀器模塊

近紅外攝像機是一種紅外成像儀，光譜覆蓋範圍從可見光邊緣（0.6微米）到近紅外（5微米）波段，可觀察迄今最遙遠天體，探測第一批恒星與星系的光線，也可輔助望遠鏡視野對齊。

近紅外光譜儀也将在相應的波長範圍内進行光譜分析。可探測天體的溫度、質量和化學組成，并且同時可捕捉200個天體的光譜進行光譜測繪。

中紅外儀器将用于測量5-27微米的中長紅外波段範圍，包含1個中紅外攝像機和1個成像光譜儀。可用于觀察低溫、遙遠的天體，中紅外光可穿透正在孕育恒星的冷塵埃，并揭示大型恒星和黑洞對其周圍空間的影響。

精細制導傳感器、近紅外成像儀和無縫光譜儀用于在科學觀測期間穩定望遠鏡的視向，它們是兩個用途完全不同的儀器，隻是因為物理狀态安裝在一起而被稱為一個組件或單元。

它可探測天體的溫度、質量和化學組成，分析地外行星大氣組成，可進行高精度瞄準。近紅外光譜儀和中紅外儀器采用星光阻擋日冕儀，還可用于觀測太陽系外行星和非常接近明亮恒星的星周星盤等暗弱目标。

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暗物質或不在“隐秘”

（圖片來源：百度百科）

韋伯望遠鏡或許可以幫助我們解決暗物質之謎。暗物質是一種神秘、不可見的物質形式，占據了已知宇宙物質的一大部分，質量高達可見物質的六倍。到目前為止，暗物質始終未能被我們直接探測到。雖然韋伯望遠鏡也無法直接“看見”暗物質，但科學家認為，在拍攝遙遠星系的照片時，韋伯望遠鏡可以找到這些質量體，并判定是否存在“缺失”、或者觀測不到的質量，這些質量也許就是暗物質。韋伯望遠鏡尤其适合做這類測量，因為其成像分辨率極高，可以測出極小的幹擾。此外，韋伯望遠鏡的設計使其可以看到宇宙深處，遠超出我們之前的觀測範圍，因此在時間上能看到更久之前的情況。借助這些深空觀測，會對早期宇宙和星系、以及暗物質在演化過程中的研究發揮重要作用。

雖說發射升空過程“一波三折”，但在多方的努力下，終于還是盼到了正式發射。希望韋伯望遠鏡成功發射運行後，會對人類的宇宙研究觀測有極大的幫助。我們也一起期待韋伯在太空的盡情遨遊吧！

（内容綜合自中科院地質地球所、科技日報、科技導報、新浪科技）

出品：科普中央廚房

監制：北京科技報 | 科學加客戶端

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