延期14年，超出预算近20倍，史上最强也最贵的空间望远镜终于发射。 2021年12月25日，Ariane 5火箭搭载JWST发射升空（模拟图）。来源：ESA 据美国航空航天局（NASA）消息，美国时间12月25日07:20（北京时间 20:20），詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）由Ariane 5火箭搭载，从法属圭亚那航天发射中心发射升空。JWST将首先进入近地轨道，并在29天后抵达150万公里（相当于地月距离的4倍）外、远离地球大气和太阳辐射干扰的日地拉格朗日点L2 ，并在轨工作至少十年。JWST将实现远胜目前所有地面或轨道望远镜的高精度红外观测，前所未有地揭示可观测宇宙深处、宇宙诞生初期的神秘图景。  JWST海报。图片来源：NASA/JPL-Caltech 从项目规划到JWST成功发射，已经过去了20余年。它的前身“下一代空间望远镜”（Next Generation Space Telescope，NGST）最初被提议在2007年发射，但JWST直至2021年的才终于升空，总花费也由最初规划的5亿美元增加到了近百亿美元。这场发射为何让全世界等待了14年之久，JWST将传回的宇宙画面又会为人类带来怎样的科学突破呢？ 欲善其事，先利其器 “贵有贵的道理”。与极度复杂的设计比起来，JWST建造工期的推延和的项目成本的追加其实情有可原。  JWST由3个部分构成：科学仪器模块、光学望远镜元件和航天器元件。图片来源：James Webb Space Telescope 为了在发射空间的限制下提供更强大的观测能力，JWST的6.5米口径主镜被设计成了由18块六边形主镜面组成的可折叠结构。要知道，光学成像对组件的精度要求极高，就连2.4米口径的哈勃望远镜单块主镜都曾在入轨后被发现存在缺陷，靠NASA后续派遣宇航员修复才得以正常工作。对更大、更精准，并且由多块镜面拼接而成的JWST主镜来说，要在经历了剧烈的发射过程后自主完成纳米级的校准，绝非易事。  JWST的主镜正接受低温测试。图片来源：NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given 更何况，JWST并不会停留在充满电磁干扰的近地轨道，而要前往150万公里外的日地拉格朗日点L2工作——那里并非现今人类宇航员可及之处，JWST的任何设备组件一旦出现故障，将完全没有修复的余地。因此，从发射到开机，JWST的部署只有一次机会。  拉格朗日点是两个大天体的引力与轨道运转的惯性力相平衡的点，卫星仅需极少的能量就能维持在拉格朗日点运行。两个天体的系统共有5个拉格朗日点，L1-L5。JWST将在其中位于太阳-地球连线外侧L2点运行，到地球的距离是地月距离的4倍。相比近地轨道，这里的噪声信号更少。图片来源：NASA JWST还拥有一个0.7米的二级镜，外加一个较小的三级镜，用于消除散光，令焦平面保持平直。三者的组合能为望远镜提供更大的视野，但整个结构的尺寸也增加了发射部署过程的复杂度——连接二级镜的吊杆足足有8米长，为了能被塞进火箭内部，它必须被折叠安装。这同样加大了展开后校准的难度。  工程师正用干冰清洁JWST的二级镜面。图片来源：NASA/Goddard/Chris Gunn 在考虑众多因素之后，NASA决定使用特种材料制造这3个镜面。铍金属公司Materion专门为此研发了先进的特种镜面材料O-30，能够在太空环境下保持稳定的光学性能。但这些镜面仍需36 K（-237°C）的低温才能确保稳定工作。为了保持如此低的温度，JWST还配备了一个巨大的5层遮阳罩。  JWST的遮阳罩展开后的形态。图片来源：Chris Gunn - NASA Goddard Space Flight Center 遮阳罩的大小与网球场相当，挡在太阳（地球和月球也在该侧）与望远镜的仪器之间，隔绝来自外部的辐射，并被动地把自身热量辐射到太空中。由轻质的硅-铝掺杂材料材料Kapton构成的足足5层遮阳罩将把望远镜整体冷却到50 K， 光学仪器则会被冷却到7-39 K。5层遮阳罩各自具有不同的尺寸和厚度，其上还有特殊的接缝和加固结构来抵御太空陨石等的潜在伤害，必须在空间上精确地展开至准确位置。 如此复杂的柔性结构在太空中精确展开，尚属人类航天史上的首次，在测试过程中遇到重重困难，也就不足为怪了——在测试过程中，固定遮阳罩的缆线多次在展开时卡死，遮阳罩本身也遭遇过撕裂。好在与其他部件一样，遮阳罩最终也顺利完成了所有测试和审查，并在模拟中实现了最内层36 K的冷却效果。 除此以外，JWST还配备了许多其他的先进技术和组件。修正18个镜面光学误差的波前算法，将中红外仪器冷却至7 K的制冷系统，精确控制视场的光栅阵列，诸如此类，不胜枚举。审查发现，JWST有344个可能的故障点，而其中的每一个都有可能令整个项目功亏一篑。先进而复杂的技术组件加之仅有一次的发射部署机会，使得研发和测试困难重重，JWST的工程耗时和成本预算都一升再升。 史上最贵的“鸽子精” 实际上，JWST的前身，“下一代空间望远镜” NGST早在上世纪90年代就已开始规划。受到哈勃空间望远镜（发射于1990年）巨大成功的鼓舞，1993-1994年，NASA的相关委员会提议建造一台比哈勃口径更大的空间望远镜（最初计划为4-6米口径），并针对1-5微米波段进行优化，发射至日地拉格朗日点L2进行红外观测。NASA随后对项目进行了评估，认为NGST可在2005年建成，2007年发射，并给出了5亿美元的预算，这一预算在一年后增加到了10亿美元。 随着科学计划的成熟和观测范围的扩大，NGST的规划设计不断变化，发射日期不得不多次推迟，预算经费也随之增长。到2002 年，项目规划已将发射推迟至2010年，总预算增至18亿美元。同样在2010年，NGST项目得到了欧洲航天局和加拿大航天局的加入，并以曾在阿波罗计划期间任NASA主管的詹姆斯·韦伯（James Webb）的名字重新命名——James Webb Space Telescope，JWST的名字由此诞生。欧洲航天局和加拿大航天局各投入了一笔资助，令JWST的总预算增至25亿美元。2005年，JWST又经历了一次全面的重新规划，预计的发射时间被推迟到了不早于2013年，全生命周期成本增加到了45亿美元。  2016年，JWST的主镜在NASA的戈达德（Goddard）洁净室组装完毕。图片来源：NASA Goddard Space Flight Center from Greenbelt, MD, USA - James Webb Space Telescope Revealed, Public Domain JWST六边形主镜的组装在2016年底最终完成——但在随后的测试过程中状况百出，上面提到的遮阳罩展开故障就是例子之一。为确保万无一失，工期不得不一再拖延，项目成本也继续增长。根据2018年的评估，NASA将发射时间再次推迟到了2021年3月——紧接着，修复、改造和测试工作遭遇了新冠疫情，JWST的组装、测试和发射又多次延期。  2010年的一篇文章将JWST评价为“吞噬了天文学的望远镜”（the telescope that ate astronomy）。来源：Nature 工期一拖再拖，成本水涨船高，令JWST项目广受批评，2010年发表在《自然》（Nature）的一篇文章甚至将JWST评价为“吞噬了天文学的望远镜”，美国国会也屡次考虑枪毙这一耗资巨大的项目。美国前总统奥巴马在任内取消了NASA的多个项目和任务，包括航天飞机和重返月球的“星座计划”（Constellation program）等等，但JWST项目最终留存了下来。到2021年12月发射之时，JWST的总计开发成本已达88亿美元，预估生命周期总成本则高达97亿美元，几乎是最初预算的20倍。 可以说，JWST是天文学史上最贵的“鸽子精”，好在这一切都是值得的——JWST终于建成并发射，它将会成为人类历史上功能最强大、成像最清晰的空间望远镜，也将从宇宙的尽头、时间的开端为我们带回无穷无尽的科学宝藏。 空间与时间，它一眼望穿 JWST与1990年发射的哈勃空间望远镜同为大型空间望远镜，而哈勃可能在10年内退役，因JWST常被视为“哈勃的继任者”。但实际上，JWST并不是哈勃的替代品或升级品。位于近地轨道的哈勃望远镜将和远在日地L2点的JWST将在未来十年以不同的方式同时执行科学任务。  JWST的主镜（右）要比哈勃望远镜的主镜（左）大得多。图片来源：Bobarino JWST的6.5米直径主镜的面积达到了2.4米直径的哈勃主镜的6.25倍，这JWST 拥有了比哈勃的NICMOS相机大得多的视野，空间分辨率也大大提升。但这并不是两者最重要的区别。哈勃望远镜的科学仪器在今天看来仍是十分强大，但它主要进行的是光学波段（400-700 纳米）和紫外波段（小于400纳米）的观测，而JWST进行的是600纳米至28微米的红外观测——前所未有的超高精度红外观测能力正是JWST无与伦比的科学价值的根本来源。 JWST将能够看到的暗淡天体比哈勃的极限还要暗上超过100倍——早期宇宙中诞生的第一批恒星和星系，宇宙深处的尘埃云，甚至太阳系外其他可能拥有生命的行星大气。NASA列出了4类能让JWST能够大显身手的主要科学观测对象：  JWST将观测早期宇宙和其中刚刚诞生的星系。图片来源：NASA's James Webb Space Telescope/Flickr
 一些已知的原行星盘。图片来源：NASA's James Webb Space Telescope/Flickr
 行星在望远镜的视野中太过渺小，无法直接观测到。但行星围绕恒星运行时，会通过遮挡和反射的作用改变观测到的恒星亮度和光谱。图片来源：NASA
上下四方曰宇，古往今来曰宙，从星际尘埃到行星，再到恒星和星系，从大爆炸伊始到第一批星系和恒星诞生，再到可能拥有生命的行星出现——JWST的视野是600纳米到28微米的红外谱线，更是全时空尺度的宇宙全貌。其中隐藏着多少全新的科学，等待发现呢？ 让我们与JWST一同拭目以待吧。 参考来源：https://www.jwst.nasa.gov/content/science/index.htmlhttp://www.casca.ca/lrp/vol2/ngst/hstng.htmlhttps://www.nasa.gov/press-release/nasa-completes-webb-telescope-reviewhttps://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescopehttps://www.spacedaily.com/reports/US_lawmakers_vote_to_kill_Hubble_successor_999.htmlhttps://www.nature.com/articles/440140ahttps://www.nature.com/articles/4671028ahttps://www.theatlantic.com/science/archive/2021/12/james-webb-space-telescope-clamp-nasa/620859/https://www.space.com/james-webb-space-telescope-hubble-images-comparisonhttps://www.space.com/james-webb-space-telescope-dark-matter-sciencehttps://physicsworld.com/a/the-ten-billion-dollar-gamble-keeping-the-jwst-cool/https://physicsworld.com/a/the-ten-billion-dollar-gamble-the-jwsts-magnificent-mirrors/https://www.theatlantic.com/science/archive/2021/12/james-webb-space-telescope-nasa-science/621065/https://www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203/https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/sunshield.htmlhttps://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/assets/documents/WebbMediaKit.pdf https://www.jwst.nasa.gov/content/about/comparisonWebbVsHubble.html 文章来源：科研圈  IEEE Spectrum 《科技纵览》 官方微信公众平台  往期推荐职业生涯：从航天器到传感器融合光通信将为外太空与地球之间提供高速连接伴随“风云四号”闪耀星河的太赫兹大气遥感技术 |
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