來了來了，力壓《阿凡達2》，秒殺《賽博朋克2077》，從2007年延期到2021年的無冕跳票王——詹姆斯 鴿王之王 韋布空間望遠鏡（以下簡稱韋布望遠鏡），“提前”所有人預期5年之久，終于發射升空啦！
韋布望遠鏡發射升空動畫示範 | ESA
中原標準時間今天20時20分，韋布望遠鏡在法屬蓋亞那的庫魯航天中心，由歐洲空間局一枚阿麗亞娜5号火箭運載，順利點火升空。
在場和不在場的天文學家暫時都松了一口氣，但很快又把心懸了起來——因為發射升空隻是啟程，後面還有更多艱難險阻，等着韋布望遠鏡一關一關去攻克。
韋布望遠鏡和哈勃望遠鏡 | NASA's Goddard Space Flight Center
鴿王之王
說起太空望遠鏡，不得不提到大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡。自1990年升空已來，哈勃已在太空工作了31年，給天文學幾乎所有領域都帶來了突破性發現。毫無疑問，哈勃是有史以來最重要的天文觀測裝置，沒有之一。
但天文學家并沒有就此滿足，很快他們就發現，哈勃的觀測能力有限，比如看不見宇宙誕生最初幾億年間的影像。
是以，早在哈勃望遠鏡還“年輕力壯”的1996年，便有人提出了當時名為下一代空間望遠鏡的科學項目，目标是打造一台比哈勃看得更遠、更暗、更清楚的太空望遠鏡。
起初，天文學家打算斥資5億美元，計劃用10年時間來建造，估摸着到2007年，怎麼都把它發射上天了吧？
“在我書架上躺了32年的這本書（《下一代空間望遠鏡》），可算是派上用場了！” | 推特使用者@planet4589
接下來的事情，大家應該都知道了。下一代望遠鏡被命名為韋布望遠鏡，得名于NASA第二任局長詹姆斯 韋布，當年上司過阿波羅登月計劃。但韋布望遠鏡的進度卻沒有韋布本人那樣雷厲風行，反而是一拖再拖，成了鴿王之王。
韋布望遠鏡的鴿王之路 | 《太空探索》雜志2022年1月刊、北京大學青年天文學會 制圖
天文學家處理資料時最喜歡拟合。有好事者将韋布望遠鏡在不同年份（橫軸）拟定的發射日期（縱軸）也作了個線性拟合（紅線），黑色虛線則代表時間的真實流逝（斜率為1）。
“看，起碼這斜率還是小于1的嘛。”| XKCD
據此圖推斷，紅色實線在2026年與黑色虛線相交，那便是韋布望遠鏡發射上天之時。
看來，韋布望遠鏡還算是提前5年完成任務了呢！（并不是……
另一方面，随着工程進度一拖再拖，韋布望遠鏡的造價也水漲船高——從最初預想的5億美元，一路飙升到近100億美元，幾乎吃掉了NASA天體實體方向所有預算的一半。
以韋布望遠鏡不到6.5噸的總重量來計算，這相當于每克價值1500美元，大概是黃金價格的25倍。看上去金光燦燦的韋布望遠鏡，可比真金要貴得多了。
金光燦燦的韋布望遠鏡，主鏡上是真的鍍了黃金的 | NASA
說起來，韋布望遠鏡的主鏡上還真鍍了一層黃金，雖說隻有大概0.0001毫米厚吧…… 這并不是要彰顯這台望遠鏡的昂貴，而是要實作天文學家對下一代空間望遠鏡的期待——比哈勃看得更遠！
黃金鏡面
作為一台望遠鏡，看得遠當然是首要目标。
光速有限，當望遠鏡觀測遙遠星系時，看到的是它們以前的樣子。從這個意義上來說，望遠鏡也算得上是一台“時光機”——看得更遠，便能觀測到這個宇宙更年輕時的模樣。
2020年，哈勃望遠鏡在小熊座發現了GN-z11，這是可觀測宇宙中人類已知的最遙遠天體，是宇宙誕生僅4億年時的一個星系。
哈勃拍到的GN-z11，是目前已知最遙遠的天體 | NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)
但這麼遠的天體，對于哈勃來說，已經有點力不從心了，因為它的光有點 “太紅”了。
宇宙不斷膨脹，其中的光波也随之被拉長，這被稱為宇宙學紅移。換句話說，越遠的天體，看起來就“越紅”。
宇宙膨脹而變得越來越“紅” | NASA & A. Feild (STScI)
對于GN-z11或更遠的天體，它們發出的光傳到地球時，已經被宇宙膨脹拉長了許多，甚至比紅光還要“更紅”。
人類肉眼看得見的光，可以分為紅橙黃綠藍靛紫等不同顔色，被統稱為可見光，隻是電磁波頻譜中狹窄的一段，也是哈勃最主要的觀測波段。
而在可見光的紅色那一端之外，有另一種“光”比紅光“更紅”，超出了人類肉眼可見的範圍，就連哈勃也隻能看見一點點，那便是紅外線。
哈勃（右）主要在可見光波段觀測，韋布（中）則在近紅外和中紅外波段觀測，最右是已經退役的斯皮策望遠鏡 | NASA & A. Feild (STScI)
韋布是專門為觀測紅外線而設計的空間望遠鏡。它的主鏡表面之是以要鍍一層真金，是因為在反射紅外線的能力上，黃金幾乎領先其他所有元素。反正望遠鏡都這麼貴了，鍍點金子也不是啥大事。
有了黃金鏡面的加持，韋布望遠鏡能夠看見哈勃看不見的“更紅”的“光”，有能力比哈勃看得更遠，有望找到宇宙大爆炸後最初幾億年裡誕生的第一代恒星和第一批星系，向我們揭示宇宙在更小的時候是什麼樣子。
韋布（最下方）将比哈勃看得更遠 | NASA, ESA, A. Feild (STScI)
這也是天文學家最初提出下一代空間望遠鏡計劃時，想要達成的首要科學目标。
除此之外，天文學家還期待韋布能夠達成以下關鍵科學目标：
研究星系的形成與演化；
了解恒星及行星系統的形成；
研究行星系統以及生命起源。
這就要求韋布不隻比哈勃看得更遠，還要比哈勃看得更清楚！
把大象裝進冰箱
口徑，是衡量天文望遠鏡的重要名額。相同條件下，口徑越大，望遠鏡的分辨率就越高。
換句話說，要比哈勃看得更清楚，韋布望遠鏡的口徑必須比哈勃望遠鏡更大。
哈勃望遠鏡和韋布望遠鏡的主鏡對比 | NASA
看對比圖就知道，韋布望遠鏡那金光燦燦的主鏡，比哈勃望遠鏡大了兩倍不止。哈勃望遠鏡的口徑“隻有”2.4米，而韋布做到了6.5米。
模拟哈勃和韋布觀測同一個星系，右邊的韋布明顯比左邊的哈勃清楚 | Ceverino et al.
但口徑更大是有代價的，那就是——望遠鏡太大，大到火箭裝不下。
在哈勃望遠鏡升空的年代，航天飛機的貨艙足夠寬大。哈勃望遠鏡可以在地面上組裝完成，再由航天飛機整體運送到太空。即使如此，鏡筒直徑4.3米的哈勃也幾乎是航天飛機能夠發射的最大尺寸太空望遠鏡了。
哈勃望遠鏡可以整體放進航天飛機的貨艙裡 | NASA/Goddard Space Flight Center
而如今，航天飛機早已退役。為了發射韋布，歐洲空間局特意挑了一款最粗的火箭，整流罩直徑足有5.4米——但比韋布6.5米的口徑，仍差了1米還多。
想把韋布望遠鏡全須全尾地塞進去，就像把一頭大象裝進冰箱，幾乎是不可能完成的任務。
除非，韋布望遠鏡可以折疊起來，蜷縮進火箭的整流罩内，等升空後再自行展開，組裝成為最終形态。
韋布望遠鏡折疊後才能塞進阿麗亞娜5号火箭的整流罩内 | Arianespace/ESA/NASA
這正是韋布的主鏡被設計成18塊六邊形鏡面拼接組裝的原因之一。隻有如此，才能把6.5米的主鏡掰成三大塊，折疊成緊湊形态裝進火箭裡發射，升空後再展開拼接成一整塊。
折疊到發射狀态的韋布望遠鏡 | NASA
而這18塊鏡面拼接後要渾然一體，每塊鏡面的位置精度必須保持在10納米（也就是0.00001毫米）之内。雖說每塊鏡面後都配備了電機可以精細調整，但難度有多大，就可想而知了。
而比主鏡更大的，是給韋布望遠鏡專門設計的隔熱罩，由5層頭發絲這麼厚的薄膜材料制成，面積相當于一個網球場，同樣需要折疊起來才能塞進火箭。
韋布隔熱罩的全尺寸測試件，來感受一下大小 | NASA Goddard Space Flight Center
150萬千米
作為一台紅外望遠鏡，韋布比哈勃多了一項艱巨挑戰，就是要想方設法來隔絕紅外幹擾。
紅外幹擾無處不在，因為一切有溫度的物體都會發出紅外線，比如太陽、地球和月亮，甚至韋布望遠鏡本身——假如它的溫度沒有降到足夠低的話。這些幹擾就像晃眼的大燈，會淹沒從宇宙早期遠道而來的微光，讓韋布無法看清。
是以，韋布不能像哈勃那樣部署在近地軌道，而是要飛往150萬千米以外的日地系統第二拉格朗日點（L2），在那裡沿一條複雜的軌道運作。
此處不僅遠離地球和月亮，在太陽和地球引力的共同作用下，韋布還能跟它們保持相對位置不變。
韋布将在L2點附近的運作，跟太陽、地球保持相對位置不變 | Dr. James O'Donoghue
隻有這樣，網球場大小的隔熱罩才能發揮作用，同時隔絕來自太陽、地球和月亮的紅外輻射，讓韋布望遠鏡本體始終保持在-223℃以下。
這還不夠，韋布望遠鏡上的中紅外觀測裝置，要在-266℃以下才能工作。這個溫度隻比絕對零度高了7度，需要韋布消耗自帶的液氦來進一步冷卻。液氦耗盡之日，就是中紅外裝置停用之時。
不僅如此，在L2點附近，韋布還需要不停微調來修正軌道，同樣需要持續消耗它随身攜帶的燃料。一旦燃料耗盡，韋布也将逐漸偏離本來位置，最終完全失控。
這些消耗品決定了韋布望遠鏡壽命有限，也就能正常工作大約5-12年，不可能像哈勃望遠鏡這樣，升空31年仍老當益壯。
但韋布正常工作的前提是——它能夠部署到位，并順利展開。
變形金剛
為了把韋布的主鏡以及比主鏡更大的隔熱罩塞進火箭發射升空，韋布望遠鏡采用了折疊設計，使得整套系統變得異常複雜。
韋布望遠鏡完全展開，步驟複雜，堪比變形金剛 | ESA
順利升空隻是個起點，接下來韋布還必須按部就班，執行一系列錯綜複雜的展開動作，直到順利展開主鏡，才能算是大功告成。
韋布望遠鏡展開流程圖 | 《太空探索》雜志2022年1月刊、北京大學青年天文學會 制圖
展開過程中涉及到許多活動部件，都有可能發生所謂的“單點故障”—— 一旦失效，價值将近100億美元的韋布望遠鏡會就此報廢。
而這種有可能報帳掉整台望遠鏡的“單點故障”，在韋布身上共有344處。每一處，都是一劫，韋布隻能自己去渡，沒人幫得上忙。
别忘了，韋布望遠鏡要去的地方，比月亮還遠将近3倍，那是人類宇航員暫時還無法抵達的遠方。
韋布加油！| NASA
如果一切順利，韋布将在13天後完全展開，在30天後部署就位——直到那時，天文學家才終于可以把懸着的心放回到肚子裡去。
之後，再經過5個月時間的鏡身冷卻、鏡面微調和儀器校準，韋布将在半年後正式翻開人類觀測宇宙的全新篇章。
韋布将翻開觀測宇宙的新篇章 | ESA/ATG medialab
果殼将持續關注韋布望遠鏡的最新進展，敬請期待。
作者：Steed、馬門溪龍飼養員
一個AI
但願這回，鴿王别再放鴿子了……
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