鸽了14年，耗资100亿美元！詹姆斯韦伯望远镜终于发射，将带来哪些新发现？

　　JWST工作状态图片（图片来源：NASA）
　　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1989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的镜片明显是黄色的，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（图片来源：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（图片来源：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。
　　编辑：沈湫莎
　　综合：环球科学、NASA航天爱好者、bilibili （作者：光-时间-空间）