在經(jīng)歷了近25年的探索和多次推遲后，北京時間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。

在未來的幾個月，這個人類歷史上最大、耗資近100億美元的太空天文臺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。

作為一個資深“鴿王”，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時間是一拖再拖，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（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號火箭的上級面。

北京時 間20點(diǎn)20分，阿麗亞娜5號火箭開始點(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)。

大約北京時間20點(diǎn)28分，一級火箭開始進(jìn)行分離，上面級運(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，韋布空間望遠(yuǎn)鏡開始與上面級運(yùn)載火箭進(jìn)行分離。

大約在北京時間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，它還會迎來諸多挑戰(zhàn)。

發(fā)射12小時后，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會進(jìn)行第一次軌跡修正機(jī)動，大概北京時間12月28日8點(diǎn)20分時，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會進(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）

在接下來的近一個月里，韋布空間望遠(yuǎn)鏡會逐漸展開并調(diào)整狀態(tài)，在太空中進(jìn)行一系列比試驗(yàn)時任何測試都更為復(fù)雜的運(yùn)動，據(jù)技術(shù)人員估算，韋布空間望遠(yuǎn)鏡至少有344個潛在的故障點(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)計會飛到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個月的時間調(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個鍍有金的鈹材料制成的六角形鏡片會重新進(jìn)行組合，形成一個6.5米寬的分段鏡子。

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

02一個網(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)美國阿波羅登月計劃。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡占地面積足足有一個網(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）、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）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)鏡元件由多級鏡片構(gòu)成，包括18個獨(dú)立六邊形鍍有黃金的超輕鈹材料制成的主鏡、多個直徑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、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常快的速度遠(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“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，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)鏡的熱量就不會干擾被探測到的熱量，也正是因?yàn)檫@個原因，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個光芒微弱的星系，還包括一個幾乎肉眼看不見的紅色斑點(diǎn)，這個紅色斑點(diǎn)其實(shí)是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡捕獲到的一個遙遠(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要求美國一個天文學(xué)家委員會來確定這些內(nèi)容。

該委員會提議建造一臺強(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，這個委員會主席德雷斯勒就這些建議向時任NASA局長的丹·戈?duì)柖∽髁撕唸蟆?/p>

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)會的一次會議時，說德雷斯勒和他的天文學(xué)委員會過于謹(jǐn)慎，丹提到新的望遠(yuǎn)鏡將會有8米寬，在功率、成本和開發(fā)時間上都會有一個巨大的飛躍。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，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)計耗資50億美元，但最終，到目前，韋布空間望遠(yuǎn)鏡耗時25年，花費(fèi)將近100億美元，才終于通過檢測，成功發(fā)射，比最初計劃的2007年，晚了14年。

其中設(shè)計可折疊的望遠(yuǎn)鏡鏡片和遮陽板尤為困難，2018年時，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，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，一個夾子意外松開，整個裝置劇烈震動，為了檢測是否有影響，發(fā)射日期再次推遲。

當(dāng)?shù)貢r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“智東西”（ID：zhidxcom），作者：楊暢 ，編輯：心緣，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。