网上科普有关“一窥天机：太空望远镜-”话题很是火热，小编也是针对一窥天机：太空望远镜-寻找了一些与之相关的一些信息进行分析，如果能碰巧解决你现在面临的问题，希望能够帮助到您。

2021年12月，原定于2007年发射的韦伯空间望远镜终于顺利升空，这是人类航天事业的大事情，无论谁干的，都值得祝贺。

不过，这年头天天都有大事发生，韦伯望远镜究竟算多大一事儿？

人类对宇宙的了解处于什么水平？这是个让人懵逼的问题，一方面，连太阳系九大行星都找不齐，向天王星、海王星发射轨道探测器都是没影儿的事，另一方面，对几十光年外的类地行星（类似地球的行星）却头头是道，超级地球、孪生地球、宜居行星的新闻不时见诸报端，到底哪个才是人类 科技 的真正水平？

要说清这个话题，得从人类 探索 宇宙的手段说起。

如果咱们能把探测器扔到别的星球上，那探测手段还是比较丰富的，次表层探测雷达、X射线谱仪、磁场探测仪，等等。可惜目前为止，人类探测器远没有飞出太阳系，出了土星轨道就算真正意义上的“人迹罕至”了。

所以，大前提就摆在这了：人类只能在太阳系里研究宇宙，更准确点说，人类主要在地球附近研究宇宙。

怎么研究呢？

只能被动接收来自宇宙的信息。

哪些信息呢？

电磁波、宇宙射线、引力波，其中大头是电磁波(包括可见光)。可以说，人类对宇宙的大部分认知，都是通过在地球上收集的各种各样电磁波，推算出来的。

没错，宇宙是算出来的。比如，观察一个恒星的颜色，或者说，在地球上收集这颗恒星发出的可见光，就可以算出它的表面温度，再加上恒星亮度，就可以算出它的年龄，再添一些参数，就可以算出它的距离。

还有更离奇的，开普勒空间望远镜，这哥们儿专门用来寻找类地行星。原理很简单，盯着一颗恒星看，如果这颗恒星的亮度会周期性变弱，那就说明有一颗行星定期从恒星前面飞过，阻挡了少量光线，就像苍蝇飞过探照灯，此曰：凌日现象。

据此可算出行星的公转周期、轨道、大小，甚至还可以通过光谱变化的特征，分析出行星大气的成分，比如苍蝇是火红色的，那么探测灯被遮挡时，多少能探测到一点红光。

如果这些算出来的参数和地球类似，就称为类地行星。所谓的类地行星，充其量就是见了个影子，至于上面是啥样，有没有生命，科学家知道的不会比算命先生好多少。

这么干靠谱吗？当然不算很靠谱，但也没有更好的办法了，人类感知宇宙的手段就这么多。不过，也不算很不靠谱，把这些手段做到极致，也能干出不少活。

到了宇宙尺度，时间和空间其实是一回事。

如果你想了解4.2年前的宇宙，那就研究4.2光年外的比邻星，因为我们现在接收到的所有关于比邻星的信息，都是4.2年前发出的。同理，想了解1亿年前的宇宙，那就观察1亿光年外的恒星，对地球人来说，宇宙活脱脱就是一个博物馆，不同距离上的恒星，代表了不同时期的宇宙演化过程。望远镜看得越远，就意味着看得越古老，远到极致，就能看到宇宙初期的样子。

这里所谓的“看”，就是收集这些恒星发出的各种电磁波信号。长波信号可以穿透大气层，因此只需把天线放在地表即可，学名“射电望远镜”。短波信号容易被大气层干扰吸收，如红外线、可见光、X射线等，所以得把家伙什儿放到太空，学名“空间望远镜”。

其中可见光部分最为直观，也最为吃瓜群众津津乐道，毕竟这是咱们肉眼能看到的。这活干得最出色的，当属大名鼎鼎的哈勃空间望远镜。

因为大气层对光线的扰动，地面望远镜看太空就像个近视眼，一度导致人类的观测范围只有几十亿光年。1990年哈勃望远镜升空，就像人类伸出水面的一个潜望镜，终于可以一窥宇宙全貌。

现在很多耳熟能详的知识：宇宙年龄、宇宙大爆炸、宇宙大小，都有哈勃的功劳。这只以收集可见光为主的望远镜，极大拓展了人类视野，堪称天文学的里程碑。

哈勃不但有巨大的科研价值，其 社会 价值也不容小觑，拍摄的大量美轮美奂的深空照片，激发了无数普通人对宇宙的向往和思考，可谓功在千秋。

2019年哈勃望远镜公布了迄今为止最详细的宇宙照片，这张照片包含了26.5万个星系，每个亮点放大都可以看到星系全貌（原图可至官网下载，贼大）。

不过，因为继任者迟迟不到位，哈勃不断超期服役，已经在天上待了30多年，难免力不从心。尤其最近几年，面临和国际空间站一样的窘境，扔了吧，可惜，不扔吧，修修补补，维护费早赶上造价了。要知道，在天上干活，费用也是上了天的，一次维修的费用都足够在地面建一个大型望远镜了。

继续烧钱给老态龙钟的哈勃续命是不现实的，哈勃退役几乎板上钉钉，这也意味着人类即将失去唯一的可见光空间望远镜。

那以后的日子是不是又得回到近视眼时代呐？

不用，因为自适应光学技术的出现。简单来说，这技术可以修正大气湍流等因素对光线的扰动，思路异常简单粗暴，你在哈哈镜里看到了扭曲的图像，那就再拿一个反向哈哈镜把图像还原。大气层就是一面哈哈镜，如何得到一个反向哈哈镜呢？

举个例子，首先打一束激光到天上，使大气里的钠元素发光，这个光线穿过大气层回到地面时，也会被扰动，把这个扰动量算出来，相当于测量出了哈哈镜的凹凸规则，以此调整望远镜的镜面形状，得到一个反向哈哈镜。因为扰动是不规则的，所以反向哈哈镜是一面凹凸不平的柔性镜面，又因为空气温度、湿度和气流实时变化，导致哈哈镜实时变化，所以柔性镜面也要跟着实时变化，甚至每秒得调整上千次的镜面形状。

不知道本僧有没有把事儿说明白，反正，这个过程令人叹为观止，你跟着叹就是了。

欧洲南方天文台位于智利的望远镜安装自适应光学系统后，拍摄的照片清晰度已经超过了哈勃。

既然如此，那就没必要非得把可见光望远镜放太空了。在地面干活，不但价格实惠，而且完全不用考虑重量和体积，镜头可以使劲造，日子美滋滋的。

早些年，口径8.1米的双子星天文台也算得上一号人物，两台望远镜分别位于夏威夷和智利，一南一北，加上地球自转，观察范围可以覆盖整个天区。但是很快，8米的门槛就被踏滥了，欧洲南方天文台在智利建造的甚大望远镜，由4台口径8.2米的望远镜组成，聚光能力相当于16米口径。日本国家天文台的昴星团望远镜把单面反射镜口径干到了8.3米。这还没完，即将投入运行的位于智利的美国大麦哲伦望远镜，由7块直径8.4米的子镜组成，等效口径大约有25米，成像清晰度达到哈勃的10倍。

单个镜子的口径到了8.4米已经差不多了，接下来就是更凶残的玩法：用一堆小镜子拼成大镜子。

由加拿大美国主导，包括中国在内多个国家参与的，位于夏威夷的，不断被环保组织阻挠建设的30米望远镜，主镜口径30米，清晰度吊打哈勃一个数量级。

预计2024年建成的位于智利的欧洲极大望远镜，主镜口径39米，清晰度比哈勃高16倍……

对望远镜来说，口径就是王道。对口径大小没概念的话，可以对比一下哈勃望远镜，2.4米。

等会儿，好像智利的出镜率有点高啊，这哥们儿天文学很强吗？说到智利特产，大伙可能想到的是樱桃，而本僧想到的却是……天文望远镜。

智利北部地区的气候和大气环境非常适合夜观天象，这里集中了全球一多半的顶级天文望远镜。值得一提的是，中国也在这儿建造自己的天文台，如果不算南极科考站的口径0.68米的巡天望远镜，这应该是咱们头一回在别的国家建造望远镜。

多嘴一句，前面提到的所有望远镜，加一起，还没哈勃贵。

所以这事儿没啥可说的了，相比如火如荼建设的地面望远镜，可见光空间望远镜几乎无人问津……除了中国。

中国空间站有个配套装置叫“巡天光学舱”，是一台口径2米的可见光望远镜，计划2024年发射，届时可能是人类硕果仅存的可见光空间望远镜。那么问题来了，人家都在地上搞了，咱为啥还要上天搞呢？

首先当然是因为太空望远镜仍然具有地面望远镜不具备的优势，比如，自由地指向任意方向观测，长时间对一个方向连续曝光，不会被人造卫星干扰，等等。其次，哈勃说到底就是太贵，而巡天望远镜和空间站共轨飞行，紧挨着，从空间站出去干活，成本就低太多了。

最有意思的是，巡天可以对地观测，是不是有点意外？这台天文望远镜，居然可以调转方向观察地面，至于这么干的意义嘛……你猜！

作为人类唯二的可见光空间望远镜，巡天免不了被拿来和哈勃做一番比较，其实吧，这话题和空间站一样，上天时间差了35年，有啥好比的呢？两者差异除了技术水平，很大程度是设计取舍导致的。另外，吃瓜群众们也别指望在这领域一举超越美帝，差距仍有肉眼可见那么大。

说了这么多，那么，韦伯上天究竟算多大一事儿？

通过对大气扰动的修正，可见光的事好歹算摆平了，但红外线、紫外线、X光就没那么容易打发了，因为这些家伙不是被大气层扰动，而且被大气层吸收了。任凭你在地面如何折腾，也不可能还原已经消失的信号。

所以，这活还得上太空。

按照现有理论，宇宙一直在膨胀，且膨胀速度超过光速，这导致遥远天体的光谱红移非常明显，那儿发出的可见光，到了这儿可能就成了红外线。

这么一来，你想看得远，就得指望红外线。

哈勃在红外波段只能凑合用，看到134亿光年就顶天了，也就是宇宙大爆炸后4亿年的情形。但是根据最新的研究表明，宇宙的第一批恒星是在大爆炸后2亿~3亿年之间诞生的，这就是所谓的“宇宙的第一缕光”。

寻找这第一缕光，非红外望远镜莫属。

于是，韦伯来了。

咱们给的官方名字是“韦布空间望远镜”，但大伙已经习惯叫韦伯了。

这家伙之所以拖了14年才发射，是因为确实花了海量心血，充分体现了美帝在精密工业领域的深厚功底，几乎达到了人类工程学的极限。

比如，口径6.5米的主镜，表面粗糙度低于10纳米，另外，为了不浪费这种加工精度，与之配套的支架和控制系统精度可想而知。

这么复杂且庞大的架子，在太空展开后，误差不超过几十纳米。

温度越高，红外线就越强，所以作为一台红外线望远镜，制冷就成了头等大事，不然你自身发出的红外线就足够折腾了。

举个风马牛不相及的例子。

最近俄乌战争中名噪一时的美国标枪导弹，在使用热成像前，需要对红外成像器件进行持续制冷，美军标枪导弹使用手册显示，开机后必须要等2分半到3分半。而导弹配备的小型电池和制冷机只能坚持4分钟，也就是说，射击窗口最多只有1分30秒，如果在1分半内没有完成锁定和发射，射手就必须更换制冷机和电池。因此，只要侦察得当，步坦协同到位，标枪要对付坦克并不容易。

扯远了。无论天上地下，想和红外线打交道，首先自己得够冷。

很多人以为太空这么冷，制冷还不简单！其实刚好相反，因为太空没有空气可以散热，太阳一晒就滚烫，所以首先得隔绝阳光。韦伯带了5层又大又薄的遮阳帆，为了尽可能反射热量，这5层仅几十微米厚的薄帆也是费尽心机，可以保证背面温度在50K以内。

但这还不够冷，为此科学家专门开发了一种脉冲管低温冷却器，这玩意儿不但可以把红外传感器冷却到7K，还几乎没有振动。你想想，如果冷却器造成了几十纳米的晃动，那前期的精确加工就全白忙活了。

如果仅仅是这些，韦伯不至于拖14年，最麻烦的事还在后面。

地球本身就是一个很大的红外发射源，为了避免地球干扰，韦伯要离地球远远的。多远呢？在拉格朗日点，简单来说，在这个地方，太阳引力和地球引力相当，飞行器可以悬停在此，有点像地球同步轨道的意思。这种地方有5个，韦伯停在离地球150万公里的L2点。

相比来说，哈勃离地球只有590公里，其实哈勃上天后立马就出问题了，主镜偏差了千分之二毫米，拍的照片惨不忍睹，于是就把航天员送上去进行了第一次维修。

而150万公里外的韦伯，是绝对不可能派人维修的。韦伯有多达344个故障点，没有多余备份，只要其中一个出问题，100亿美元就打水漂了。悲剧的是，地面测试时，这些故障点经常出问题，比如2018年薄薄的遮阳帆展开时就被撕裂了。在这种压力下，拖14年也就显得没那么离奇了。

总之，韦伯有大量令人发指的工程细节， 科技 含量无可挑剔，堪称人类精密工业的巅峰之作，担得起“史上最强望远镜”的称号。

如此吊炸天，那它能看到宇宙的诞生吗？不能，红外线不是万能的，甚至电磁波也不够说明宇宙起源，这活至少要集合引力波、暗物质、中微子等一众骨干才能窥见一二。

韦伯空间望远镜工作在近红外和中红外波段，用于观测宇宙大爆炸初期第一批恒星和星系的形成。按照目前理论，宇宙年龄138亿年，哈勃已经看到了134亿年，而韦伯可以再多2亿年。

2022年3月11日，韦伯望远镜完成了最后一轮镜片微调，传回了第一张校准时拍摄的清晰照片，已经逐渐进入工作状态，预计夏天正式开启科学观测，为人类视野再添2亿光年。

还有一个题外话，韦伯不但是 科技 典范，也是坑钱典范，不但充分体现了美帝的 科技 实力，也充分体现了美帝的钓鱼手段。

韦伯最早的预算是5亿美元，不过很快就发现不够烧，第二年就加了5亿，不加不行啊，不然前面的5亿就打水漂了。过了两年，发现钱还是不够烧，再加8亿，不加不行啊，不然前面的10亿就打水漂了。又两年，再加7亿，不加不行啊。三年后，加5亿。过一年，再5亿。两年后，6亿……就这样一口一口，一直啃到了97亿，比哈勃还败家。

前面说可见光时，还能看到咱们国家的身影，但在红外波段，似乎有点寒碜？

这其实不奇怪，我国是发展中国家，发射的卫星大多是有具体用途的，比如用来监测耕地是否被侵占的农业卫星，比如用来监测森林是否起火的红外卫星，等等，很少用于纯基础科学研究。本僧掐着指头数了数，好像只有2个半：一个是寻找暗物质的悟空号，一个是研究X射线的慧眼号，还有半个是用于验证量子通信技术的墨子号（不算严格意义上的纯基础科学）。

其中，慧眼号就是一台空间望远镜，全称：硬X射线调制空间望远镜。

如果说红外线是研究恒星起源必不可少的，那么X射线就是研究恒星死亡必不可少的。X射线属于能量比较高的电磁波，通常来自比较剧烈的天体活动，比如恒星爆炸之类的，研究高能天体肯定少不了X射线，所以也算一个研究热点。

相比无人问津的可见光空间望远镜，X射线望远镜算得上络绎不绝。没办法，X射线经过大气层就没剩啥了，大家只能上天去干活，欧洲的XMM-牛顿卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星、德国的eROSITA X射线望远镜……

在各国众多的X射线望远镜中，慧眼妥妥算上乘了，是全世界灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜。这不算啥，作为慧眼的继任者，由中国领导的大型国际合作空间项目“增强型X射线时变与偏振空间天文台”预计2025年发射升空，到时候就是国际领先的旗舰级空间X射线天文台。

迄今为止最详尽的宇宙X射线图，包含了100万个X射线源，数据来自德国eROSITA X射线望远镜的首次巡天任务。

最后，咱们为烧钱的天文学找一个硬核理由。

1974年，为庆祝阿雷西博射电望远镜改建完成，该望远镜向2.5万光年外的M13球状星团发射了一串含有人类文明的信息，这就是著名的“阿雷西博信息”。

如今这条信息已经跑了大约50光年。如果外星人 科技 再高一点，能探测到无比微小的无线电信号，那么1901年马可尼进行的横跨大西洋电报试验，就是人类发出的第一个无线电信号，如今这个信号已经跑了120光年。

这就是人类痕迹在宇宙中所到达的最远距离。

咱们侥幸一点，就按50光年算吧，目前在这个范围内发现的类地行星大约50颗左右。在这50颗星球上产生智慧生物，并且该生物具有攻击太阳系的能力和意图，概率实在微乎其微，所以地球人还不用担心。

于是，这条信息继续往前跑，在目的地M13球状星团的范围内，已经发现了五六千颗类地行星，算上还没发现的，少说几万颗起步，这回咱就不敢保证了。

再把基数扩大，据天文学家保守估算，银河系至少有60亿颗类地行星，你想想，地球何德何能成为60亿分之一？几乎可以肯定，银河系里一定还有其他智慧生物。

那么，在接下来的10万年里，可能会有智慧生物收到地球人的信息。这个猜测是有依据的，以目前人类的 科技 水平，已经可以探测到50光年外的普通雷达信号，如果外星人比我们多发展个两三千年，接收一条几千光年外的电磁波岂不是小菜一碟？

这事儿，咱得未雨绸缪啊！

是寄希望于外星人大爷无私的帮助地球人？还是凭借旗鼓相当的 科技 水平友好交流互通有无？比如，你想看秦始皇登基的画面，那就找到2200多光年外的外星人，拍下“它们”现在的画面（对它们来说是两千多年前的画面），再通过虫洞和它们交换。

阿雷西博信息已经上路，地球人，留给你们的时间不多了。

韦伯望远镜鸽了14年后终于发射

　韦伯望远镜鸽了14年后终于发射，詹姆斯·韦伯望远镜有两大主要任务，一个是观测宇宙的边缘，另一个是寻找围绕恒星运行的行星。韦伯望远镜鸽了14年后终于发射。

　刚刚，詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST，根据国家天文科学数据中心，其标准译名为“韦布空间望远镜”）发射升空。号称世界上最可靠的重型运载火箭之一的阿丽亚娜5型火箭（Ariane 5）徐徐升起，借助法属圭亚那库鲁航天中心低纬度带来的高自转速度，载着JWST飞向属于它的太空。

　随着JWST一起上升的，还有无数天文学家、天文爱好者激动的心情。JWST的发射时间从2007年一直拖延到现在，近百亿美元的耗费也远远多于当时5亿美元的预期。对不少读者而言，“詹姆斯·韦伯”这个名字似乎很早就在记忆中出现过了。JWST的建设也的确算得上一场漫长的征途。

　哈勃空间望远镜（HST）是1990年发射的，但在美国空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute，STScI），对哈勃继任者的讨论从1 989年就已经展开了。1996年，他们认为下一代望远镜应该是主镜直径4米以上的红外望远镜。2002年选定科学团队，2004年开始建造，2005年选定发射场，2011年18片主镜制造完毕，2013年开始制造遮阳板，2015年组装光学组件，2017年进行测试，2018年整体组装测试，最终在2021年发射。但对那些一直在等待的人来说，这一切都是值得的，JWST夸张的参数也足以让它配得上哈勃继任者的称号。

　 哈勃继任者

　JWST主镜口径达到6.5米，由18片铍镜片拼接而成，每片直径1.32米，仅重20千克。选用金属铍为主镜材料，是因为铍质量较轻且强度较大，并且在低温环境下仍能保持形状。一般的镜子应该能完全还原物体原本的颜色，但JWST的镜片明显是**的，这是因为它在镜面上镀了700个原子厚的金，这样能提高镜片对红外线的反射能力，JWST主要观测的就是红外线。严格来说，JWST观测的波长范围从橙色的600纳米一直延伸到远红外的28.5微米。

　JWST和哈勃，斯皮策观测波段的对比（来源：webb space telescope media kit/NASA）

　观测红外线是件麻烦事，因为黑体辐射，所有300开尔文左右的物体都在发射红外线。所以必须对望远镜进行冷却。在太阳系内，最大的热源就是太阳，必须把主镜和太阳隔绝开来，于是科学家为JWST设计了5层遮阳板，每层大小约为21米×14米，厚度却仅有几十微米：最外侧为50微米，其余4层为25微米。面向太阳的一侧，遮阳板温度高达125℃，而主镜一侧的温度可以低到-235℃。按常见防晒产品的标准来算，这5层遮阳板的SPF系数高达100万，能将太阳辐射的影响降到原来的百万分之一。

　之所以要克服这么多困难在红外波段观测，是因为来自早期宇宙的光在经过百亿年的红移后，早就变成了红外线。在波长相同的情况下，望远镜口径越大，空间分辨率也就越高，在光学波段，JWST的分辨率高达0.1角秒；6.5米的口径同时带来了前所未有的灵敏度，理论上，它能探测到地月距离那么远的一只大黄蜂的发出的红外线。除了传统的相机，JWST还搭载了光谱仪和星冕仪，能让它获得更多科学数据。为了到达拉格朗日点L2点附近避开地球、月球光线的干涉，获得最优的观测环境，整个望远镜的重量被限制到了6.2吨，和一辆中巴车相当。

　 可折叠望远镜

　当然，想把望远镜发射到天上，仅仅减轻重量是不够的，没有火箭能装得下这么大的结构，JWST必须是可折叠的，这带来了更多困难。JWST的主镜、副镜、5层遮阳板，还有老生常谈的太阳能板，都是可折叠的。

　JWST折叠放置在阿丽亚娜5整流罩中的示意图（来源：webb space telescope media kit/NASA）

　从打包状态到完全展开是一个复杂的过程。发射不久后，JWST就会打开太阳能板获取能量。在这之后，JWST还会修正几次轨道，因为阿丽亚娜5并不能直接把它送到L2点附近轨道，那样会将望远镜的光学组件暴露在阳光下造成损害。在发射2.5天后，JWST展开两个遮阳板支架，然后望远镜的可展开塔组件（Deployable Tower Assembly）会展开，将JWST的光学部分和其他部分分离开来，为5层遮阳板提供空间。全部5层遮阳板会在发射后一周内展开。副镜和主镜会在第二周内展开。发射29天后，JWST将进行最后一次机动，驶入L2点轨道，该轨道在月球轨道之外，距地球大约150万公里，在地球引力的帮助下，JWST将绕着太阳一起旋转。

　在那之后，JWST仍不能开始工作，它要开始漫长的冷却。遮阳板的暗面大约会在那之后3周冷却到40开尔文左右，而JWST的MIRI设备还需要额外制冷剂冷却到7开尔文。在那之后望远镜将会对变形过程中产生的误差进行修正，主镜和副镜会在发射4个月后完成调试，那时它们位置排列的误差会小于观测波长，仅有几纳米。在经过几个月的调试、测试后，JWST将会在发射约半年后开始正式科学观测，为我们揭开宇宙早期的秘密。

　 科学目标

　JWST能帮人类寻找宇宙中第一批形成的星系，揭开宇宙黑暗时代之后再电离时代的秘密。因为红移的作用，在宇宙中选择不同波长的光进行观测，就好像坐上了时光机，JWST将观测波长缩短，就能观测宇宙的不同阶段，研究星系、恒星是如何在宇宙百亿年的历史中演化的。它还能帮我们分析地外行星的大气成分，为太阳系中其他成员拍下更清晰的照片。

　这些科学目标听上去似乎就是哈勃的工作，这也正是JWST被称为哈勃继任者的原因之一。哈勃空间望远镜革新了全人类对宇宙的认知，为我们带来了数不胜数的震撼照片，而JWST能看到更深的宇宙，能穿透茫茫的时空，将隐藏在宇宙尘埃背后的秘密悉数揭开。就像哈勃、开普勒、TESS这些为人类作出伟大贡献的望远镜一样，JWST的数据将会存储在米库斯基空间望远镜数据库（Mikulski Archive for Space Telescopes，MAST）中，向全人类公开。

　JWST复杂的结构带来的是前所未有的技术难度，北美和欧洲共14个国家的数千名科学家，工程师和技师，他们为JWST忙碌的时间超过了4000万小时，他们在JWST上实现的技术突破更是数不胜数：热开关，轻质低温镜片，制冷技术，红外传感器……任意一个组件背后凝结的汗水都不可计数。

　但复杂的结构带来的是极高的出错概率，在测试过程中，JWST被发现有344个点位可能出现故障。发射之后，JWST的轨道位于月球轨道之外，人类根本没有对其进行修复的可能。这也是为何面对JWST，所有人都是慎之又慎，这几个月来JWST的发射时间也从12月初慢慢推迟到了圣诞节当天。这是一个浪漫的巧合，因为对那些热爱星空的人来说，JWST就是最好的圣诞礼物。

　哈勃太空望远镜 来源：NASA

　 “鸽”了14年

　詹姆斯·韦伯太空望远镜以NASA早期管理人员之一詹姆斯·E·韦伯（James E. Webb）的名字命名，他在1960年代监督了阿波罗计划。早在2002年，差不多20年前，韦伯的名字就首次被用于"下一代太空望远镜"，这个计划最初预算为5亿美元，并准备在2007年发射。但由于各种原因，2019年8月28日才组装完毕，升空日期一直“鸽”到了14年后的今天，比这台红外线空间望远镜的预计寿命还要长。原先，“韦伯”的预算费用是5亿美元，现在已经花了96.6亿美元，四舍五入就是100个亿，项目严重超支，堪称不折不扣的“鸽王”。

　1、按最初计划，韦伯望远镜本应在2014年升空，但后因预算等问题推迟。

　2、2017年9月，美国航天局表示，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射窗口将从2018年的10月推迟至2019年的3月至6月之间。声明解释说，韦伯望远镜及其遮光板的体积和复杂性超过多数探测器，比如仅遮光板释放设备就要安装100多个，振动测试也要用更长时间，所以推迟到2019年春季从法属圭亚那库鲁航天中心用欧洲的阿丽亚娜5型火箭发射升空。

　3、2018年3月28日，美国航空航天局再次宣布韦伯在2020年之前不会发射升空。

　4、2018年5月6日，受一系列技术问题的困扰，JWST的最新发射日期已经被推迟到2020年。

　5、2018年6月29日，据国外媒体报道，哈勃望远镜的“接任者”詹姆斯·韦伯望远镜将推迟至最早2021年3月30日发射。

　6、2021年10月12日，詹姆斯·韦伯空间望远镜成功抵达位于南美洲的法属圭亚那，计划12月18日在欧洲航天局阿丽亚娜5号火箭上发射升空。

　7、2021年11月22日，NASA再次宣布詹姆斯 · 韦伯太空望远镜的发射时间从12月18日推迟到了22日。

　8、2021年12月15日，由于需要解决韦伯望远镜和阿丽亚娜五火箭之间的通讯问题，发射推迟不早于12月24日（来来回回好像有两次）。

　9、2021年12月22日，詹姆斯韦伯太空望远镜JWST通过发射准备评审，但是，由于天气原因，发射推迟到12月25日。

　2021年12月25号，晚7:20，詹姆斯·韦伯望远镜在法属圭亚那库鲁航天中心，由阿里亚娜火箭发射升空。

　韦伯望远镜，在推迟了N次发射以后，终于升空了。

　这个望远镜实在是太难搞了，研制复杂，组装复杂，轨道维持都不容易。

　望远镜最重要的两个指标，一个就是看得清楚，还有一个就是看得远。

　但是呢，测量距离要两个点三角测量，望远镜一个点没有办法分辨物体的远近，只能看到一个视张角。

　就比如说，太阳跟地球的距离是1.5亿公里，但是月亮距离地球只有38万公里，两个看起来是一样大，就是因为视张角是一样的。

　用视张角表示的望远镜分辨率，又被称为角分辨率。

　哈勃望远镜，它的角分辨率就是50角秒。

　 望远镜的角分辨率。

　望远镜的角主要是望远镜的口径所决定的。

　在科学计量上，角度的划分是这样的，一个圆周360角度，1角度等于60角分，1角分等于60角秒，1角秒等于1000毫角秒。

　天文学家用来计算望远镜分辨率的道斯极限公式，R=11.6/D。

　11.6是一个和观测光线波长有关的值，R是角分辨率，单位是角秒；D是望远镜镜头直径，单位为厘米。

　韦伯望远镜主镜张开直径有6.5米，如果按照这个公式，比哈勃望远镜的分辨率要高了三倍。

　但是，实际上望远镜的光线聚焦方式，也会影响望远镜的清晰度。

　 为什么詹姆斯韦伯望远镜长得很奇怪，像一把大伞？

　我们知道，光线聚焦有两种方式，一种就是通过透镜来折射，还有一种是通过镜片反光聚焦。

　所以望远镜分成折射式望远镜，以及反射式望远镜。

　折射式望远镜，镜片有一定厚度，对光线有一定的衰减，所以对清晰度有影响。

　反射式望远镜不会造成光线的衰减，是比折射式望远镜更好的一种望远镜。

　詹姆斯·韦伯望远镜就是一个反射视望远镜，它张开以后像那个伞面一样的，就是它的反射镜。

　 屡次推迟发射到底是为什么？

　詹姆斯韦伯望远镜从1996年开始研制，原定于2007年发射。

　因为整个研制过程太复杂了，中间出了很多问题，所以一直推迟到现在。

　原定研制计划预算是5亿美元，后来屡次增加投资，最终完成时耗资96亿美元。

　为了降低望远镜主体的重量，它的主反射镜使用的材料是金属铍。

　为了完美反射光线，抛光精度要达到10纳米。而且为了控制主镜在工作时产生的畸变，在主镜的背后还有7个电子仪器来测量、调控组镜的曲率。

　铍的价格非常昂贵而且有剧毒，所以在制造的过程中必须有防护，而且要非常仔细操作。

　但铍的物理性质很好，密度只有1.85，比强度是所有金属材料中最高的。比强度的排名来说，铍第一，其次才是钛，再次才是铝，最后才是钢。

　为了把这个反射镜装进卫星的整流罩里，设计成了18块可以折叠的形式，到太空中以后再张开。

　但是在地面上的时候它是18块分开测试的，由于没有办法完全模拟在太空中展开的情况，所以这个测试也用了很久。

　原定今年10月份就要发射的，后来屡次推迟。

　原因就是这次发射必须慎之又慎，必须一次性成功，如果再出问题就没有办法维修了。

　詹姆斯·韦伯望远镜定点位置在地球和太阳之间的拉格朗日二点，这个点距离地球有150万公里。

　哈勃望远镜就是因为出了点问题，第1次发射到太空上的时候，看星星是模糊的，变成了一个近视眼。

　后来派航天飞机去修了几次，才把它修好，但是哈勃望远镜距离地球只有570公里。

　载人宇宙飞船目前还没有办法飞到距离地球150万公里的地方。

　 为什么要距离地球这么远？

　詹姆斯·韦伯望远镜有两大主要任务，一个是观测宇宙的边缘，另一个是寻找围绕恒星运行的行星。

　这两个观测任务都是在寻找比较暗的光线，也就是说在红外波段的光线，为了收集到更多红外光线，还在反射组件上面镀了一层黄金，所以看起来是金黄金黄的。

　我们知道在宇宙的边缘，由于宇宙的高速扩张，138亿光年远的星系都在做远离地球的运动，远离的速度已经接近光速，星体发出来的光线因为红移的原因，变得非常的暗淡。

　在宇宙的边缘，隐藏着宇宙大爆炸不久后宇宙的真面目。

　宇宙大爆炸到底是不是真的？还是只是人类的臆想？这是人类最想了解的内容之一。

　詹姆斯·韦伯望远镜，就肩负着揭开这个秘密的使命。

　接收幽暗光线的仪器必须非常灵敏，而且要冷却到接近于绝对零度。

　所以，詹姆斯韦伯望远镜必须远离地球这个热源，同时还要屏蔽掉太阳的热量，所以望远镜的主体要躲在一个巨大的遮阳伞后面。

　詹姆斯·韦伯望远镜的观测波段主要在0.6-28.3微米的频段。采用了一系列先进的措施以后，它的观测精度可以达到10倍的哈勃望远镜的精度。

　望远镜定点在拉格朗日2点，正好和地球同步围绕太阳运转，可以保持和地球恒定的通信距离。

　 围绕拉格朗日二点的轨道也很特殊。

　拉格朗日二点是一个不稳定的平衡点，望远镜只能围绕拉格朗日二点做圆周运动，这个轨道被称为晕轨道。

　我们国家发射的嫦娥4号降落在月球背面，就是靠运行在地球、月亮拉格朗日二点的鹊桥中继卫星，进行中继通信的。

　鹊桥中继卫星也是在一条轨道上。

　这个轨道是一个非常复杂的三维曲面，必须不停进行轨道维持。

　以前发射的所有望远镜都不用做这么复杂的轨道维持。

　所以，这100亿美元一旦打出去，要么就是100%成功，要么就是打了水漂，所以慎之又慎。

　用一句打牌时的术语，就是梭哈了，全靠这一把。

　2021年12月25日，这注定是人类航天史的历史性时刻——在推迟发射14年后，被人们称为“鸽王”的詹姆斯·韦伯太空望远镜，终于搭乘欧空局阿里安5-ECA火箭成功升空，开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。

　韦伯望远镜升空（来源：NASA）

　 迄今为止全世界最贵望远镜，究竟有多贵？

　20个国家持续25年的投入和数万名科学家的倾力合作，造就了这个史上制造单价最贵的航天器。

　有多贵？

　目前，包括后续的运营和科研费用，詹姆斯·韦伯太空望远镜（以下简称为詹姆斯·韦伯）的总经费预计已超过100亿美元。

　考虑到它的质量仅为6.5吨，也就意味着它的单价超过人民币10000元/克，是黄金单价的20余倍！

　詹姆斯·韦伯看起来犹如一艘太空战舰（来源：NASA）

　詹姆斯·韦伯究竟有什么样的特殊使命，能让这么多国家倾注如此大的'人力、物力、财力在它上面？它又能为人类带来什么呢？

　 贵有贵的道理——韦伯的观测能力远超前辈

　宇宙是个充斥着各种电磁波和高能粒子的喧闹世界，那里既藏着遥远的历史，也昭示着人类乃至太阳系的未来。

　对于望远镜来说，可见光到红外线频段是观测的重点，尤其是追踪宇宙大爆炸后残留的红外线，它们已经在宇宙中传播了138亿年，蕴藏着宇宙最初的奥秘。

　然而，地球大气层、磁场、人类活动等因素，却使得地球成了一个典型的“信息茧房”。在广阔的电磁波频段中，只有极小一部分能顺利抵达地球表面并被望远镜观测到，其他的则几乎都被屏蔽在外。

　从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度，真正的有效观测的窗口极小（来源：维基百科）

　解决这个问题的办法只有一个：把望远镜送出地球。

　不同望远镜的使命也不同，这次被送出地球的詹姆斯·韦伯的观测波段主要集中于波长为0.6-28.3微米的橙色光到红外线频段，它的更大口径和一系列新技术带来了远超前任哈勃、施皮茨、赫歇尔等知名太空望远镜的观测能力。

　例如，它能够看到更暗更古老的天体，甚至可以追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹，投入工作后将会极大提升人类红外天文学的相关研究。

　前所未有的造价和划时代的意义，也让这个望远镜“荣幸”地以NASA（美国国家航空航天局）第二任局长詹姆斯·韦伯命名。詹姆斯·韦伯于1961-1968年在任，领导了NASA最辉煌的阶段。在这一时期，NASA曾获得空前绝后的资金支持，不仅推动了水星计划、双子座计划、阿波罗登月计划、先锋计划、水手/旅行者计划等一系列大型项目的开展，也为美国在航空航天领域的人才技术优势打下坚实基础。

　 造价100亿美元，这些钱都花在了哪里？

　虽然100亿美元看起来很多，但实际上对于研制詹姆斯·韦伯这样的顶级望远镜的项目来说，并不能说非常宽裕，至少不是大家想象中的想怎么花就怎么花。没办法，前沿科学研究就是这么“烧钱”。

　为了获得更好的观测能力，詹姆斯·韦伯在各项方面都进行了升级、更新，可以说每笔钱都用在了刀刃上。

　 1、更大口径的镜片

　光学和红外望远镜的核心是镜片，其口径与观测能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望远镜，詹姆斯·韦伯的镜片口径从2.4米提升到了6.5米，集光面积也从4.5平方米攀升到了25.4平方米。

　需要注意的是，口径增加带来的整体难度和造价提升并不是线性增长关系，光是这一项，就直接决定了詹姆斯·韦伯的预算远超哈勃。

　人类、哈勃望远镜主镜和詹姆斯·韦伯主镜的大小对比（来源：NASA）

　镜片太大，几乎很难整体制造，不仅失败风险大、材料成本极高，也势必带来整体质量和体积的攀升，甚至远超人类现有火箭的发射能力。因此，詹姆斯·韦伯的镜面设计选择了拼接方案，由18面一模一样的六边形组成，发射时折叠起来，进入太空后再拼接到一起。

　 2、堪称“鬼斧神工”的镜面材料

　詹姆斯·韦伯在制造、发射和工作时要面临截然不同的温度环境。特别是它的核心器件工作温度已非常接近绝对零度，对镜面材料的要求极高，因此需要同时具备抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、反射率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等特点。

　而在精度要求上，最后镜片成型的制造加工精度要达到10纳米级别，这个要求所允许的误差相当于一张A4纸厚度的万分之一！而且在进入太空后，整体拼接和镜片姿态控制的精度也要达到同等水平。

　综合上述要求，詹姆斯·韦伯的镜片主要材料选择了碱土金属铍，10纳米几乎就是几十个铍原子并排摆在一起的宽度，这是接近“鬼斧神工”级别的制造加工工艺要求。

　 3、一把屏蔽热量的“太阳伞”

　远离地球，不代表能彻底摆脱地球的干扰，詹姆斯·韦伯还要面对太阳光和地球反射光/热辐射的干扰。为此，它需要背上一个大大的“太阳伞”来屏蔽热量，并使用主动冷却系统维持核心部件接近绝对零度的工作环境。

　遮阳板总共有五层，都要精准打开（来源：NASA）

　按照设计要求，这把伞需要提供300摄氏度以上的温度屏蔽效果。这相当于一面是高温油炸，另一面却是冰天雪地。它的每一层材料主要由聚酰亚胺、硅膜和铝膜构成，首层最厚也仅为50微米，比人类头发丝直径还小，而中间层仅为25微米。

　 更大的难度还在后面——这把“太阳伞”如何顺利展开？

　“太阳伞”每一层的面积约300平米，在发射时会被塞进火箭里剧烈振动，进入太空后要在激光引导下让100余个小型拖车带着逐层展开。难度可想而知，这无疑是人类历史上最厉害的一个遮阳板。

　整体来看，詹姆斯·韦伯需要的都是最先进的科技，且各种研发都是“孤品”，它既没有备份，也不会量产，必须保证100%成功率。除此以外，还要经过一系列极高成本的测试和维护。这些因素累加在一起，让它的预算迅速攀升到了100亿美元级别。

　詹姆斯·韦伯的官方海报（来源：NASA）

　 看似“咕咕咕”，其实是必须一次成功的魄力

　我们都知道，哈勃望远镜虽然远在太空中，但也仅离地球表面大约575公里，可以说“紧挨”着地球。那詹姆斯·韦伯为什么不能像哈勃望远镜一样，在离地球近一些的地方工作呢？

　这是因为地球和所有的物体一样都是热源，在源源不断往外反射阳光和辐射红外线，否则就会持续变暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空气分子和星际尘埃，对太空望远镜依然有一定影响。对于更加精密的詹姆斯·韦伯来说，这些影响尤其明显。所以，它必须想尽办法远离它的诞生地——地球。

　然而，“逃离”地球后，并非就万事大吉了。进入错综纷繁的引力世界，航天器将受到太阳、地球、月球，乃至宇宙万物的引力影响，这使得它的轨道很难稳定下来。对于质量和体积都很大的望远镜而言，频繁地通过发动机工作维持轨道，不仅会导致发射时必须携带大量推进剂，也会极大地影响观测质量。

　因此，必须要在上述要求中找到一个平衡。权衡利弊后，科学家们选择了日-地引力平衡的拉格朗日2点作为詹姆斯·韦伯的工作地点。这里距离地球150万公里（月球距离地球不过38万公里），远离了地球这个热源和灰尘源的干扰，温度也低达零下220摄氏度以下，可满足望远镜的整体工作温度环境要求。此外，在“日-地拉格朗日2点”，太阳和地球两大引力源和谐共处，共同牵引附近的航天器围绕太阳稳定运动，航天器所需要的轨道维持成本极低。

　不过，这给詹姆斯·韦伯带来了另一大挑战：这么远的距离，一旦它出了任何问题，人类是不可能去维修的。这也意味着它变成了“一锤子买卖”，要求一次性成功，不能有任何失误。

　这和哈勃望远镜形成了鲜明的对比。当年哈勃升空后出现了一系列问题，于是在1993-2009年间，人类通过五次极其昂贵的航天飞机任务不断维护并提升哈勃，才使得它获得了今天举世瞩目的成就。

　如今，航天飞机已经彻底退役，人类也失去了在太空中维修大型航天器的能力。不过，即便航天飞机再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2点”。毕竟，哈勃的工作地点距地球不过几百千米远，这和詹姆斯·韦伯与地球之间的150万千米的距离，是完全不同的概念。

　某种程度上，这也是詹姆斯·韦伯鸽了又鸽的重要原因——一旦发射，承受不起一点失误。

　为哈勃太空望远镜，NASA总共进行了六次航天飞机任务，付出了巨大代价（来源：作者自制）

　所以，对于负责火箭发射的欧空局而言，这次的成功毫无疑问是令人兴奋的，发射团队紧绷了数年的神经终于可以好好放松一下了。毕竟这是个100多亿美元的“一锤子买卖”，背后有着无数人几十年的努力付出。

　 在探索宇宙的路上，又迈出了新的一步

　詹姆斯·韦伯的漫长研发史，是人类最顶级智慧的结晶。现在，它终于顺利升空前往遥远的目标工作地点。也许很多人会关注它的经费，感慨前沿科学研究的“烧钱”，但是，我们更应该认识到，我们为前沿科学付费，其实是在为人类上下求索的决心与梦想付费，如此看来，这价格也不能说是昂贵。

　未来，詹姆斯·韦伯会给人类带来什么？可以预知的是，它能更容易探寻到宇宙的边界和最初的奥秘；无法预测的是，科学家们将在它的数据里获得何等惊人的发现。它是人类梦想向宇宙深处的又一次延伸，是人类好奇心与探索精神的承载，是人类在探索世界的路上迈出的新的一步。让我们祝福它远航的路上一切顺利，期待它带来新的发现与启迪！

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