耗資百億美元、花費(fèi)25年建造的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡終于升空！與哈勃有何不同？

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡終于發(fā)射升空！耗資百億美元，14年前就計(jì)劃將其發(fā)射至太空，為何拖了這么久？它與“哈勃”有何不同？

北京時(shí)間2021年12月25日20點(diǎn)20分,在發(fā)射延遲數(shù)年后，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡“繼任者”—— 詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡從法屬圭亞那庫(kù)魯航天中心發(fā)射升空。

據(jù)介紹，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡耗資約 100 億美元，比哈勃望遠(yuǎn)鏡大六倍，有望觀測(cè)到 135 億年前的宇宙。

▲韋伯望遠(yuǎn)鏡集成科學(xué)儀器模塊內(nèi)各儀器圖示及發(fā)射運(yùn)行過(guò)程等相關(guān)展示（圖片來(lái)源：《北京科技報(bào)》）

二十五年“磨”一鏡

▲地球（藍(lán)色點(diǎn)）-太陽(yáng)（黃色點(diǎn)）兩體體系的五個(gè)拉格朗日點(diǎn)（綠色點(diǎn)）

從1996年開始，美國(guó)宇航局從尋找建造這個(gè)新式空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃至今已經(jīng)有25個(gè)年頭。韋伯望遠(yuǎn)鏡作為美國(guó)宇航局史上最復(fù)雜的項(xiàng)目之一，其風(fēng)險(xiǎn)是巨大的。“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡將放置于太陽(yáng)─地球的第二拉格朗日點(diǎn)，距離地球150萬(wàn)公里遠(yuǎn)（地球與月球平均距離38萬(wàn)公里），由于距離地球太遙遠(yuǎn)無(wú)法派宇航員進(jìn)行維修保養(yǎng)，所以它的設(shè)計(jì)制造必須完美無(wú)缺，否則將功虧一簣！因此一旦在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)任何未知問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致發(fā)射被推遲。

“三位一體”的光學(xué)組件

韋伯望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)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(huán)境佳和聚焦精度好這幾個(gè)特點(diǎn)，顯示出技術(shù)和工程上的創(chuàng)新。光學(xué)系統(tǒng)組件是一個(gè)“三鏡系統(tǒng)”，包括主鏡（一級(jí)）、副鏡（二級(jí)）和第三個(gè)鏡面——光學(xué)子系統(tǒng)，完整的光學(xué)系統(tǒng)組件像一架射電望遠(yuǎn)鏡。

▲光學(xué)組件工作原理

主鏡最大最重，需要一個(gè)大型支撐結(jié)構(gòu)，很難磨制成單一鏡面，且現(xiàn)有運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)也無(wú)法裝下，因此主鏡面由18塊獨(dú)立的六邊形鏡片組成。六邊形鏡片很容易無(wú)縫拼接在一起形成近圓形的主鏡面，每個(gè)鏡片的等效直徑為1.32米，拼接完成后的主鏡面拋光總面積達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡。

為使主鏡各鏡片能夠精確聚焦，除加工時(shí)保持極高的精度外，每個(gè)鏡片背面裝有6個(gè)微型驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，主鏡中心還有一個(gè)馬達(dá)，用于調(diào)整曲率。而為了將主鏡各鏡片對(duì)齊，形成單一的大鏡子，每個(gè)鏡片都對(duì)齊到頭發(fā)厚度的萬(wàn)分之一。加上其他儀器的調(diào)整動(dòng)作，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡共裝有132個(gè)微型馬達(dá)。

▲鏡片背部結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)多道工序，鈹鏡片最后的質(zhì)量為20千克，單位面積質(zhì)量?jī)H為哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡的十分之一。加上馬達(dá)等部件，鏡片總質(zhì)量也僅40千克，主鏡總質(zhì)量約720千克。

第三級(jí)鏡面是可精細(xì)調(diào)整的后視鏡，位于主鏡中心突出的黑色鼻錐內(nèi)，也稱為后光學(xué)子系統(tǒng)。主鏡捕獲的光線經(jīng)反射后，被聚焦于副鏡上，副鏡將光線反射到第三級(jí)后鏡上，再射向可精細(xì)調(diào)整的后鏡，最后聚焦于主鏡后面排列的科學(xué)儀器上。該部位安裝著星光分析設(shè)備或相機(jī)，使望遠(yuǎn)鏡的視野十分開闊。

作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的后繼者，它將在哈勃望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上提供改進(jìn)的紅外分辨率和靈敏度，且紅外波譜更寬，觀測(cè)能力更是哈勃望遠(yuǎn)鏡的100倍。這對(duì)于天文觀測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)大的提升。

更強(qiáng)大 更“冷酷”

▲左：“韋伯”望遠(yuǎn)鏡 右：“哈勃”望遠(yuǎn)鏡 （圖源：百度百科）

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

▲韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡面。（圖源網(wǎng)絡(luò)）

▲在諾斯羅普·格魯曼集團(tuán)的廠房里進(jìn)行展開的五層遮陽(yáng)傘。值得一提的是，2018年3月，遮陽(yáng)傘在測(cè)試中破了一層，直接導(dǎo)致進(jìn)度推遲至少六個(gè)月。（圖源網(wǎng)絡(luò)）

遮陽(yáng)裝置的使用，使韋伯望遠(yuǎn)鏡具有了降至極低溫度的能力。哈勃望遠(yuǎn)鏡通常維持15攝氏度工作，僅針對(duì)可見光和近紫外光進(jìn)行觀測(cè)。但是韋伯望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計(jì)成可以將自身溫度降低到-223攝氏度之下，因?yàn)樽陨淼臏囟纫坏┏^(guò)了-223攝氏度，它本身的紅外輻射就會(huì)掩蓋掉來(lái)自宇宙深處微弱的光量子，韋伯望遠(yuǎn)鏡為了觀測(cè)到近紅外光，足足配備了五層遮陽(yáng)傘，每層有一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)那么大。遮陽(yáng)罩第一層直接面向太陽(yáng)，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(duì)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，可以將熱量從中心引導(dǎo)到外部，最后散發(fā)到空間。每層遮光罩都涂有約100納米的鋁，高反射鋁表面可以將剩余的能量從遮陽(yáng)層邊緣的縫隙中反射出來(lái)。

兩個(gè)最熱的層（第一、二層）面向太陽(yáng)側(cè)還有摻雜約50納米厚的硅涂層，將熱量反射回太空，并提高其在太空環(huán)境中的光學(xué)性能和使用壽命。通過(guò)遮陽(yáng)罩可將多余的光和熱進(jìn)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(duì)目前的火箭運(yùn)載技術(shù)來(lái)說(shuō)，完全展開韋伯望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行發(fā)射還是不切實(shí)際的，因此韋伯望遠(yuǎn)鏡的遮陽(yáng)傘與鏡片在發(fā)射時(shí)會(huì)折疊起來(lái)，在發(fā)射后按規(guī)定步驟再展開。

“四大件”保障平穩(wěn)運(yùn)行

集成科學(xué)儀器模塊為一個(gè)整體，是為韋伯望遠(yuǎn)鏡提供電力、計(jì)算資源、冷卻能力以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的框架，由粘結(jié)石墨環(huán)氧復(fù)合材料制成，附著在韋伯望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的底部，擁有四臺(tái)科學(xué)儀器和一臺(tái)引導(dǎo)攝像機(jī)。

▲集成科學(xué)儀器模塊

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

近紅外光譜儀也將在相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行光譜分析?？商綔y(cè)天體的溫度、質(zhì)量和化學(xué)組成，并且同時(shí)可捕捉200個(gè)天體的光譜進(jìn)行光譜測(cè)繪。

中紅外儀器將用于測(cè)量5-27微米的中長(zhǎng)紅外波段范圍，包含1個(gè)中紅外攝像機(jī)和1個(gè)成像光譜儀?？捎糜谟^察低溫、遙遠(yuǎn)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(duì)其周圍空間的影響。

精細(xì)制導(dǎo)傳感器、近紅外成像儀和無(wú)縫光譜儀用于在科學(xué)觀測(cè)期間穩(wěn)定望遠(yuǎn)鏡的視向，它們是兩個(gè)用途完全不同的儀器，只是因?yàn)槲锢頎顟B(tài)安裝在一起而被稱為一個(gè)組件或單元。

它可探測(cè)天體的溫度、質(zhì)量和化學(xué)組成，分析地外行星大氣組成，可進(jìn)行高精度瞄準(zhǔn)。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(cè)太陽(yáng)系外行星和非常接近明亮恒星的星周星盤等暗弱目標(biāo)。

暗物質(zhì)或不在“隱秘”

（圖片來(lái)源：百度百科）

韋伯望遠(yuǎn)鏡或許可以幫助我們解決暗物質(zhì)之謎。暗物質(zhì)是一種神秘、不可見的物質(zhì)形式，占據(jù)了已知宇宙物質(zhì)的一大部分，質(zhì)量高達(dá)可見物質(zhì)的六倍。到目前為止，暗物質(zhì)始終未能被我們直接探測(cè)到。雖然韋伯望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法直接“看見”暗物質(zhì)，但科學(xué)家認(rèn)為，在拍攝遙遠(yuǎn)星系的照片時(shí)，韋伯望遠(yuǎn)鏡可以找到這些質(zhì)量體，并判定是否存在“缺失”、或者觀測(cè)不到的質(zhì)量，這些質(zhì)量也許就是暗物質(zhì)。韋伯望遠(yuǎn)鏡尤其適合做這類測(cè)量，因?yàn)槠涑上穹直媛蕵O高，可以測(cè)出極小的干擾。此外，韋伯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)使其可以看到宇宙深處，遠(yuǎn)超出我們之前的觀測(cè)范圍，因此在時(shí)間上能看到更久之前的情況。借助這些深空觀測(cè)，會(huì)對(duì)早期宇宙和星系、以及暗物質(zhì)在演化過(guò)程中的研究發(fā)揮重要作用。

雖說(shuō)發(fā)射升空過(guò)程“一波三折”，但在多方的努力下，終于還是盼到了正式發(fā)射。希望韋伯望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射運(yùn)行后，會(huì)對(duì)人類的宇宙研究觀測(cè)有極大的幫助。我們也一起期待韋伯在太空的盡情遨游吧！

整理/新媒體編輯 段大衛(wèi)

（內(nèi)容綜合自中科院地質(zhì)地球所、科技日?qǐng)?bào)、科技導(dǎo)報(bào)、新浪科技）

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