耗资100亿美元 花费20多年建造的韦伯太空望远镜终于发射升空了

• 2021-12-27 09:20:58 来源：爱范儿

北京时间 2021年12月25日20点20分，著名的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁航天发射中心升空，接下来大约需要一个月的飞行，它将抵达距离地球 150 万公里的日地拉格朗日 L2 点。

这台望远镜以美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯命名，以纪念他对阿波罗登月计划做出的重要贡献。

图注：韦伯 VS 哈勃

韦伯望远镜是目前发射的最大太空望远镜，口径达到了 6.5 米，由 18 块六边形镀金镜片拼接而成。相比之下，哈勃望远镜的口径为 2.4 米。望远镜的口径越大，一方面能够收集更多的光子，看到更暗弱的天体；另一方面能够增加分辨率，看清更多的细节。

图注：哈勃望远镜和韦伯望远镜主镜大小比较。

图注：韦伯的镜面上镀有一层黄金，用于更好反射红外线。

韦伯望远镜与哈勃望远镜最大的差异在于它们的工作波段不同。韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区，以及少部分可见光区，而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区，以及少部分近红外光区。

得益于大口径的红外观测能力，韦伯望远镜有望观测到早期宇宙中的恒星和星系，能够加深我们对恒星和星系的形成以及演化的理解，甚至还能够直接探测到系外行星的大气成分，探索外星生命存在的迹象。

韦伯望远镜「鸽王」昵称的由来

韦伯望远镜也因其研发周期长、耗资巨大而闻名于世，被戏称为「鸽王」望远镜。这架望远镜的研发起始于1996年，本来计划2007年发射，初始预算5亿美元，然后就开始了「放鸽子」的漫漫征途。

1998年，预算扩充至10亿美元，并将发射计划推迟至2008年。

2000年，预算扩大至18亿美元，发射推迟至2009年。

2002年，预算扩大至25亿美元，发射推迟至2010年。

2003年，发射推迟至2011年。

2005年，预算扩大至30亿美元，发射推迟至2013年。

2006年，预算扩大至45亿美元，发射推迟至2014年。

2008年，预算扩大至51亿美元。

2010年，预算扩大至65亿美元，发射继续推迟到2015年。

2011年，预算扩大至87亿美元，发射推迟至2018年。

2013年，预算扩大至88亿美元。

2017年，发射推迟至2019年。

2018年，发射推迟至2020年。

2019年，因新冠疫情，发射推迟至2021年，预算追加到97亿美元。

韦伯望远镜是哈勃望远镜的继任者？

韦伯望远镜和哈勃望远镜一样，都是耗资巨大的「旗舰级」天体物理项目，从这个意义上讲可以看作哈勃望远镜的继任者。但从严格科学意义上讲，两者更多的是互补关系。

图注：韦伯和哈勃的大小比较。

文章开头我们提到，韦伯望远镜主要工作在近红外和中红外光区，以及少部分可见光区，而哈勃则主要工作在可见光区和紫外光区，以及少部分近红外光区。

图注：哈勃和韦伯的观测波段。

韦伯望远镜主要用于研究更加早期宇宙中恒星和星系的诞生过程。从科研目标上看，韦伯望远镜更可以看作另一台已退役了的红外太空望远镜——斯必泽望远镜的继任者。

哈勃望远镜 1990 年发射升空，迄今已度过 32 个春秋，虽然经历过很多曲折，尤其是最近一段时间，计算机时常出现问题，但迄今仍然坚持为人类传回精美的宇宙照片。不出意外的话，哈勃望远镜能够工作至 2030 年代，甚至 2040 年代。

图注：距离地球 150 万公里的拉格朗日 L2 点。

韦伯望远镜与哈勃望远镜运行的轨道不同，前者运行在距离地球外侧 150 万公里的拉格朗日 L2 点，后者在距离地球仅 500 公里的轨道上运行。这意味着哈勃望远镜出现问题，还能够在轨维修，而韦伯望远镜一旦出现问题，按照目前人类的航天能力，还真爱莫能助。

韦伯望远镜运行的 L2 点是不稳定的，要靠消耗燃料动态维持，按照燃料的消耗速度，该望远镜的预期工作寿命为 10 年。估计到那时，哈勃望远镜仍健在。

为什么要把韦伯冒险发射至距离地球 150 万公里的深空？

上面我提到，哈勃望远镜其实离我们并不远，每天在距地面 500 公里的上空飞行。1990 年发射升空后就出现了大问题，由于镜片磨制工艺的缺陷，变成了「近视眼」，成像非常模糊。2003 年，NASA 派遣了奋进号航天飞机首次对哈勃进行了成功的修复，其后又进行了四次在轨维修任务。

图注：当年 NASA 派航天飞机修复哈勃望远镜的情景。

韦伯望远镜运行在距离地球 150 万公里的深空，相当于地球到月球距离的 4 倍！在这个距离上，一旦出现问题，依照目前人类的航天能力，是无法进行在轨修复的。问题来了，为什么研发超过 20 多年，耗资接近 100 亿美元的望远镜做成了「一锤子买卖」，被放置到那么遥远的距离？

回答这个问题，还是要从韦伯望远镜的工作原理和达成的科学目标上进行理解。

图注：韦伯望远镜巨大的多层遮光罩。

我们知道，太阳、地球和月球都向外散发出大量的热辐射，其中包含大量的红外成分，韦伯望远镜主要工作在红外波段，如果把韦伯望远镜放置在地球轨道上，就会受到太阳和地月系统强烈红外辐射的干扰，根本无法看清更加遥远天体微弱的红外辐射。

图注：遮阳罩起到重要的降温作用。

因此，必须要让韦伯望远镜远离地月系统，然后再携带一件五层的硕大遮阳罩，对太阳光进行遮挡。在遮阳罩的遮挡下，镜片的温度可以低至零下 223 摄氏度，满足对近红外观测的需求。中红外光区的观测还需要在制冷机的作用下进一步降温。

日地拉格朗日 L2 是个什么特殊的地方？

如果仅仅考虑把韦伯望远镜发射到远离地球遥远的深空，是不是任何深空点都行呢？当然不是了！经过多方考虑，最好是太阳和地球连线的外侧，距离地球 150 万公里的被称为拉格朗日（L2）的地方，在这个地方，太阳和地球共同的引力牵引着韦伯望远镜绕太阳公转，且公转周期和地球公转周期一致，这样就能保持韦伯望远镜和地球之间距离的稳定，有利于测控和信息回传。

拉格朗日是法国著名数学家和物理学家。学过微积分的朋友，应该都对拉格朗日不陌生。由于是他最早提出了两个大天体周围的几个特殊的引力点，因此这些特殊的点以他的名字命名。

你可能猜到了，有拉格朗日 L2，就有朗格朗日 L1。没错，除了 L1 和 L2，还有 L3 、L4、L5。L1 点位于太阳和地球连线之间，距离地球也是 150 万公里，最适合放置太阳观测望远镜。

图注： 太阳和地球周围的五个拉格朗日点。

韦伯望远镜的主要科学目标是啥？

据官方资料，韦伯望远镜主要有四大观测目标，总结如下：

观测宇宙大爆炸之后不久第一批恒星和婴儿星系发出的光芒；

研究星系的形成和演化；

理解恒星和行星系统的形成；

观测系外行星上生命存在的迹象；

这些都是在红外波段下能够更加有效观测的科学目标。

图注：镜片上的配图体现了韦伯望远镜的观测目标（艺术图）

为什么采用阿丽亚娜 5 型运载火箭发射？

阿丽亚娜 5 型运载火箭（Ariane 5）是欧空局研制的一款重型运载火箭，近地轨道的运载能力为 20 吨，仅次于我国长征五号火箭 25 吨的运载能力。地球同步转移轨道的运载能力为 10 吨。重 6 吨的韦伯望远镜用这枚火箭发射比较匹配。

图注：韦伯望远镜折叠后放入火箭整流罩。

除了运载能力的要求，还要求火箭必须配备巨大的整流罩，能够容纳下巨大的望远镜（尽管发射时处于折叠状态，一般的火箭整流罩也难以容纳）。

最重要的一条要求是，火箭必须稳定可靠！阿丽亚娜5是一款久经考验的老火箭，再发射 7、8 次就要退役了，接替它的将是阿丽亚娜 6 型火箭。

除了以上三个因素，还有一个因素是，欧空局作为韦伯望远镜的合作方之一，承担望远镜的发射任务。

韦伯望远镜和我国贵州「天眼」望远镜有什么区别？

身边有朋友问到这个问题，这里也简单回答一下。这两种望远镜的区别可真是太大了，比韦伯和哈勃的区别要大得多。

位于我国贵州的 FAST 望远镜，俗称「天眼」望远镜，口径达到了 500 米，但 FAST 望远镜是地基望远镜，主要在射电波段（波长在 0.1 米到 4.3 米）工作。由于大气层对射电波段的透明度较好，这种类型的望远镜在地面上工作得就很好。

图注：不同波段的电磁波透过大气的难易程度不同。

韦伯望远镜是红外望远镜，地球大气层中的水蒸气和二氧化碳对红外线的吸收比较强烈，因此要发射到太空中去观测，复杂程度和造价指数升高。

不同类型的望远镜能够看到不同景象的宇宙，发现不同的奥秘。大约半年后，韦伯望远镜有望传回它的第一幅宇宙照片，让我们一起期待！

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