造价百亿美元的最强天空之眼究竟值不值赛先生天文

　　詹姆斯·韦伯空间望远镜的金镜，图片来源：NASA
　　导读：
　　First Frost
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope） 于2021年圣诞成功发射，宣告人类天文探索史翻开了全新篇章。从立项、研发到成功发射，被戏称为＂鸽王＂的韦伯望远镜耗时近30年，耗资约100亿美元，单独一个望远镜的造价就大概相当于中国航天研究一年的总预算（包括探月和探火工程） 。
　　这笔钱究竟花得值吗？本期赛先生天文，我们请科学家给算算账！
　　撰文 | 王吉（俄亥俄州立大学）
　　编辑 | 王曦
　　责编 | 韩越扬、吕浩然
　　2021年圣诞，詹姆斯·韦伯空间望远镜（以下简称＂韦伯＂） 终于在法属圭亚那航空发射中心成功发射。在经历了一个月的旅程后，韦伯目前已经到达她的最终目的地，距离地球约一百五十万公里的第二拉格朗日点。
　　在韦伯即将开启她的科学征程之时，很多人或许还不知道为何她的建造会让世界最顶尖的航空工程师们呕心沥血、鞠躬尽瘁？又是为何她的发射会让全球天文学家们屏息凝视、翘首以盼？我们更不知道在未来，她将带来怎样的壮丽画卷，颠覆和刷新人类对整个宇宙的认知。如果你想了解，请听笔者一一细数。
　　Q:为何推迟了二十年？
　　A1:建造难度极高，工程师耗尽心血
　　韦伯于上世纪末正式立项，原计划于21世纪初发射。但是由于种种原因，实际发射日期距原定发射日期相差了几乎20年。这其中的主要原因之一，就是其极高的建造难度。
　　首先，为了能够看得更远，韦伯的主镜比她的上一代哈勃空间望远镜要大了几乎3倍——她6.5米的望远镜主镜必须通过折叠的方式才能放进阿丽亚娜重型火箭的发射仓中。为了解决这个问题，韦伯的主镜由18块1.3米的六边形镜片组成，方便折叠和展开（图一） ，但考虑到外太空超远程运作，这样的设计方案也对工程结构稳定性和可靠性提出了近乎苛刻的要求。
　　图一：Webb Space Telescope Primary Mirror Deployment. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
　　其次，韦伯的主镜材料是稀有轻金属铍。由于原子序数只有4，铍是最轻的碱土金属元素，具有密度低、熔点高、弹性模量大、拉伸强度大、热性能优异、尺寸稳定性好等诸多优异性能。在太空极端的温度环境下，铍的热膨胀系数低的特性可以使其尽可能的减小由温度变化所造成的形变，因此是非常理想的空间材料——要知道曾经的哈勃空间望远镜就是因为发射后出现的主镜形变而导致了＂近视＂，要不是航天飞机的宇航员后来给哈勃补装了＂眼镜＂，我们看到的哈勃照片都会是模糊的。而如果主镜材料不过关，再要给韦伯装眼镜可就太不容易了，因为韦伯所到达的位置比哈勃可要远了750倍。
　　再次，韦伯主镜的镀膜是金，所以看上去金灿灿的。采用镀金工艺也和韦伯的红外观测波段紧密相关，因为金在红外波段，特别是中红外的反射率是所有金属中最高的；此外，金也是最不易反应的惰性金属之一，所以在宇宙的极端环境下这层金膜仍可以长久保持，无须操心重新镀膜的问题。当然，比起韦伯的高额造价，镀膜所需要的金的价格甚至可以说是不值一提，韦伯主镜25平方米的金膜只使用了48克金。
　　最后，为了进一步保障韦伯观测的准确性，还必须聊聊韦伯的隔热和制冷问题。由于宇宙最初的光会因为宇宙膨胀而红移到红外波段，经过130亿年的宇宙膨胀，早期宇宙的可见光已经变成了现在的红外光子。
　　要理解宇宙红移，建议大家找一个气球（代表早期宇宙） ，在上面用记号笔画一条线，这条线的长度可以当做是早期宇宙光子的波长。然后把气球吹大10倍（代表现在宇宙的尺度即时宇宙的膨胀） ，再看看记号笔线现在的长度，这就是光子经过宇宙膨胀后的波长。
　　而说到红外光子，大家应该都不陌生。任何物体都在不停的辐射出红外光子，人体就会发射，韦伯当然也不例外（这些红外光子在夜间通过红外夜视仪可以清晰观测到，很多影视作品中的黑底绿光画面还记得吗？） 。正常情况下，韦伯自己产生的红外光子会和宇宙初期的微弱的红外光子混在一块，导致观测者无法分辨——毕竟光子可不像人一样，每个人皆有不同，但是光子只有两个性质：波长和相位。因此，为了避免韦伯自身的红外光子和宇宙中的光子混淆不清，部分韦伯的仪器必须要冷却到零下260多摄氏度进行工作。只有这样极低的温度，才能确保这韦伯释放的红外光子数远远低于宇宙光子数，进而保障观测少受干扰和影响。
　　同时，在浩瀚的宇宙空间中，韦伯必须要有一把＂遮阳伞＂来隔热，还要有一台＂冰箱＂来制冷。我们先来说说遮阳伞（板） ，这个遮阳板要有一个网球场那么大。为了节省发射重量和空间，遮阳板不是一块材质坚硬的板，而是一层薄膜。要知道在太空中展开一个网球场已经很不容易了，更何况这样的遮阳板还要有五层，才能确保韦伯冷却到零下230摄氏度。而要到达零下260多度，剩下的就必须依靠＂冰箱＂了。韦伯自身装载的冷却系统耗资超过1.5亿美元，这个＂冰箱＂也许是世界上最贵的冰箱了。
　　Q:为何推迟了二十年？
　　A2:意外事故频出，人力成本高居不下
　　实际上，1997年韦伯立项时的原定发射日期是在2007年，而当时的预算也仅为5亿美元。但是因为种种原因，发射日期一拖再拖，最终发射的时间比原定计划足足晚了14年。这期间，刨除不可抗力的技术和政治原因，频繁的试验差错所导致的修正复工以及始终高举不下的人力成本，也成为了韦伯发射＂难产＂的主因之一。
　　首先，在韦伯跨度20余年的研发和制作过程中，经历的种种奇葩事故和实验失误不胜枚举。其中最让笔者乍舌的一次，是在韦伯发射前的几乎最后一次抗震试验中，居然还发生了关键设备的螺丝和螺帽被震了出来的＂突发事故＂，以一种近乎滑稽与惨烈并存的方式，导致韦伯升空再度难产。
　　此外，足足14年的拖延所导致的人力成本叠加可以称得上是天文数字。要知道，这14年项目要养活的，是一个超过1000个科学家和高级工程师的庞大团队！据不完全统计，至2021年韦伯成功发射，项目开销已从最初的5亿美元预算被生生推高到了97亿美元。
　　至2021圣诞，全球的天文学家们翘首以盼终于等到了韦伯的顺利发射。但这还仅仅是开始，因为在地球上发现什么错误还可以修正，还可以重新来过；真正让人焦虑、辗转反侧的，是韦伯一旦到了太空中，再出现问题就没有补救的办法了（或者说代价难以承受） 。
　　就笔者了解的情况来看，从发射升空到韦伯最后抵达既定目标的拉格朗日点，中间有344个有可能导致发射失败的关键节点，其中百分之七十五可能失败的节点都集中在在韦伯那网球场大的遮阳板上；而就算是把每个节点反复打磨到尽善尽美，使节点成功率达到百分之九十九，无限接近百分之百，韦伯望远镜抵达拉格朗日点并顺利运作的成功率也只有百分之三……因此，在过去的一个月里，用着急上火却又爱莫能助、＂有心无力＂来形容关注韦伯的天文学家们是最贴切不过的了。
　　Q:代价如此巨大，为何还要坚持建造？
　　韦伯究竟会为人类发展带来怎样的影响？
　　从地球之外的生命迹象勘测到宇宙边缘的原初星系探索，韦伯将在以下四个科学方向上做出卓越贡献，带来巨大的科学回报：
　　A1：大幅推进原初星系探索，让人类见到＂宇宙第一道光＂
　　让我们从最远的原初星系说起：韦伯6.5米的主镜是哈勃的近三倍，这意味着通过韦伯我们可以看见更早期的宇宙——宇宙年龄大概有138亿年，通过哈勃能够观测到几百万年阶段的初期宇宙，而通过韦伯却能观测到宇宙只有一百万年左右的样子——可千万不要小瞧了这几百万年的时间差别，正是在哈勃所看不到的这几百万年间，宇宙从黑暗演变出了光明！而原初星系就是照亮整个宇宙的光！因此，通过韦伯近一步观测原初星系，可以说是我们人类看见宇宙第一道光的唯一希望，是人类探索宇宙奥秘历史的全新里程碑！
　　A2：加速星系形成的研究进程，使人类坐上＂宇宙时光机＂
　　原初星系形成之后，宇宙经过138亿年的演化，变成了我们目前周围所熟悉的星系：像银河系一样的螺旋星系和像室女座A星系一样的椭圆星系。但是从早期的宇宙到现在的宇宙，星系究竟是如何演化的？这是韦伯的第二个主要科学任务。
　　探索这个问题说难也不是太难，就像研究一个婴儿怎么成人一样：我们只需要收集她从小到大，成长历程的照片，就可以窥见其生长的端倪。韦伯也需要做类似的事情，收集不同年龄星系的照片，帮助科学家们从中找出星系形成和演化的规律。
　　但是问题来了，对比漫长的宇宙年龄，人类的历史也仅有短短的几百万年而已，又怎么可能苦等一百多亿年去观察星系的成长呢？这个问题在宇宙这么大的尺度下其实很容易解决，因为光速是＂有限的＂。比如我们现在看到的最近的恒星——比邻星，其实是它4.2年前的样子，因为地球和比邻星之间的距离是4.2光年；那么，当我们把眼光放得更远，我们现在看到的宇宙其实是更加早期的宇宙。从这个角度来说，宇宙就是一个时光机——我们可以观测的距离越远，所观测到的星系的年龄就越年轻。当我们通过韦伯观测不同距离的星系，就相当于通过她在观察各种星系在不同年龄的样子。通过这样的方式，我们就可以找到星系演化的答案了。
　　A3：穿透恒星形成的层层迷雾，带人类走进＂孕育恒星的地方＂
　　每个星系都是由亿万颗恒星组成的，而韦伯要解答的下一个关键问题，就是恒星的形成了。你可能会问，我们周围这么多恒星，难道我们还不够了解它们吗？负责任的说，确实如此。人类对于恒星，尤其是＂婴儿期＂的恒星，仍然存在太多的未知：我们周围的恒星都是成熟甚至是衰老的恒星，想要研究恒星究竟是怎么孵化的，我们就必须要穿越层层迷雾到达恒星形成的区域。（在这些区域里，＂层层迷雾＂可不是一个比喻，而是真实的状况，因为恒星就是在非常致密的分子云和尘埃里面形成的。）
　　在这个过程中（穿越星际迷雾） ，韦伯可以看到的红外波段的优势就充分显现出来了。物理学告诉我们，波长越长，就越容易穿越障碍物——＂未见其人、先闻其声＂说的就是声波的波长比可见光的波长要长得多，所以我们往往是先听到人的声音，后见到人；另外一个日常生活的例子就是我们平常看到的红彤彤的日落，并不是因为太阳光是红色的，而是因为红光的波长要比其它可见光的波长更长，所以更加容易穿过地平线的大气和尘埃。根据这个原理，韦伯所装载的红外相机和光谱仪就可以为我们拨云见日，带我们一窥孕育恒星的地方。
　　A4：探索地外生命的迹象，引领人类找到＂下一个地球＂
　　韦伯的最后一个主要科学目标就是寻找地外生命的迹象。在目前已知的几千颗地外行星中，有相当数目的地外行星均分布于在星际宜居带中。这意味着在这些宜居行星的表面有可能存在液态水——水是生命之源，这是目前科学界的共识。不管是类似地球的生命，或者是那些未知的生命现象，他们的存在都离不开水。
　　除了水之外，是否还有其它的生命信号呢？如果我们要寻找地外生命，韦伯还可以帮助我们寻找行星大气里的氧气和甲烷[1] 。要知道在我们地球上，绝大部分的氧气和甲烷都是由生命产生的，而这两种气体又非常容易产生化学反应并互相消耗，所以氧气和甲烷的同时存在往往是生命存在的重要信号。此外，如果我们跳出常规，跳出类似地球生命的条条框框，氨气也很有可能是另外一种显示生命迹象的气体[2] 。
　　因此，不管是氧气和甲烷，抑或是氨气，韦伯都可以帮助我们探测到它们的光谱信号。这些气体都有它们独特的分子吸收光谱，就像人类的指纹具有鲜明的标志性和独一性那样，通过韦伯在行星中搜索它们独特的光谱，也就可能找到它们的存在迹象，而找到了它们，也就意味着人类距离找到真正的地外生命前进了一大步。当然，这些分子的＂指纹＂几乎都在红外波段，而且它们的吸收信号又极其的微弱，所以目前所有的望远镜里面，有也仅有韦伯才有可能承担起搜寻宜居行星大气中生命信号的大任。
　　所以说，从早期宇宙，到星系演化、恒星形成，再到地外生命，韦伯的肩上承载了几乎所有领域的几代天文学家们寄予的厚望，也难怪她的建造和发射牵动着全球天文学家的心。现在韦伯已经就位，让我们饱含期待，尽情享受它所将带来的宇宙饕餮盛宴和天文科学革命吧！
　　作者简介：
　　王吉，俄亥俄州立大学天文学系助理教授。2006年毕业于中科大天体物理系。2012年在佛罗里达大学获得天文学博士学位，2012年到2018年在耶鲁大学和加州理工学院从事博士后研究。2018年在俄亥俄州立大学任教。2022年获得美国自然科学基金（NSF） 早期职业奖（Early Career Development Awards） 。研究领域是地外行星和地外生命。
　　参考文献：
　　[1]＂Exoplanet Biosignatures: A Review of Remotely Detectable Signs of Life＂, Schwieterman, Edward W. et al. 2018,  Astrobiology,  Volume 18, Issue 6, 2018, pp.663-708
　　[2]＂Detecting Biosignatures in the Atmospheres of Gas Dwarf Planets with the James Webb Space Telescope＂, Phillips, Caprice L.et al. 2021,  The Astrophysical Journal , Volume 923, Issue 2, id.144, 15 pp.
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