韦布空间望远镜，100 亿美金到底值不值？
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聊科技，谈商业。
无用之学，万用之基。
文 | 张鹏
昨天晚上，我发现自己的朋友圈突然被韦布空间望远镜拍摄的照片刷屏了。
我想应该不是我的朋友圈真的有那么多天文爱好者一直潜水，而是疫情和经济的双重压抑下，遥远星空的壮美，抚慰了很多人的内心。至少，药效能有 1 分钟吧。
不用怀疑，全世界可能至少有 1 亿人同此心境。这一瞬间，科技对人类真正的意义闪耀了。而接下来 5 年，甚至 10 年，如果身处遥远的第二拉格朗日点（地日引力平衡点 L2）的韦布空间望远镜，可以挺住微陨石的轰击，可以获得预定的补给和维修，那么这种全人类级别的震撼，还会至少来个 100 次以上。
韦布空间望远镜这个历时 20 多年，花了近 100 亿美金的科技装备，从商业上看没有任何意义。但当它第一次睁眼凝视深空，所带来的震撼和对人类「见识」的提升，立即证明了「无用之学」的价值。
即便是算算账，抛开科学上必然带来的巨大的推动作用先不说。咱们就算 10 年时间对 100 亿人次的地球人带来心灵震撼，让这么多人看到宇宙的壮美，每一次都是价值 1 美元的「心灵宇宙之旅」。
作为一个「又菜又爱玩」的天文爱好者，很高兴看到这么多朋友被韦布触动，这篇文章争取帮大家再品品韦布这个人类科技杰作，以及它首次「睁眼看世界」到底看到了什么。
图｜韦布空间望远镜
01
韦布是个新高峰
韦布空间望远镜本身是一个「技术奇迹」。
首先是它把望远镜的在轨部署运用到了极致。人类空间望远镜的上一个巅峰是哈勃空间望远镜。哈勃是可见光波段的大口径望远镜，部署在 570 公里的近地轨道。
这次韦布主要是红外波段的望远镜，其探测天空所得到的图像，与我们所熟悉的光学星空是不同的，或者说可以看到传统光学望远镜看不到的深空信息。现在红外望远镜同光学望远镜、射电望远镜一样是人类探索宇宙奥秘的有力武器。
但是红外波段的缺点就是不能在近地轨道部署，因为地球上的干扰太严重，必须要远离地球，部署到距离地球约 150 万公里（是地月距离的近 5 倍）的拉格朗日点 2 号位置，同时还需要有办法遮蔽来自太阳的干扰，所以携带了一个展开后网球场那么大的「遮阳伞」。
韦布空间望远镜总重量 6.2 吨。被主镜捕捉的红外线要经过次镜和三级镜反射，再由精细转向镜传递至科学仪器模块。
而直径达 6.5 米的巨大主镜，由 18 块六边形镜片拼接而成，采集光线面积达到哈勃的 5 倍以上。次镜由 3 个从主镜正面延伸出来的长臂支撑，而三级镜和精细转向镜被安置在主镜中心。
韦布空间望远镜其实不只是一个大眼睛，它有四种「视觉神经」——也就是四套科学观测仪器：
其中近红外光谱仪主要目标是实现对恒星和遥远星系等天体的大型光谱调查，可以类比为深空观测里的广角镜头，能同时对多达 200 个目标天体进行光谱观测。
而中红外仪是韦布的「凝视」能力，可以聚焦看到更丰富的天体数据信息。中红外仪器必须冷却到更接近绝对零度的零下 266 摄氏度，才可以有效发挥作用。所以韦布为此也变成了个「高科技大冰箱」，还是不需要制冷剂，就可以制冷一辈子的那种。
近红外相机是韦布空间望远镜上的主相机，可以理解为是韦布看得最远的「长焦头」。该仪器将拍摄有史以来最遥远的近红外图像，甚至能捕获到来自大爆炸后第一批恒星和星系的光。
韦布还有近红外成像仪和无缝摄谱仪。前者可与近红外相机的主摄像头同时使用，提供额外的成像功能，而无缝摄谱仪能够在系外行星凌日（行星公转时跨越恒星表面）时进行大气化学成分观测。预计用不了多久，距离地球比较近的那些系外行星，特别是被判断处于「宜居带」的那些神秘家伙，都会被逐一研究。哪一天通过大气光谱分析发现了「地球 2 号」，甚至地外生命存在的证据，我一点都不会意外。
韦布发射的时候，其风筝形状的巨幅遮阳板位于主镜下方。这个人类有史以来最大的遮阳伞，可以为韦布抵挡来自太阳、地球和月球的辐射。遮阳板面积接近网球场大小，设计成 5 层薄膜结构，最薄的厚度只有 0.025 毫米。遮阳板将望远镜分隔成分别朝向深空和朝向太阳的冷热两侧，其温差极限超过 300 摄氏度。
韦布之所以需要发射到距离地球 150 万公里的第二拉格朗日点，最主要的原因是这里望远镜可以在太阳和地球两个天体引力的共同作用下，刚好能获得随地球同步运动所需向心力。让韦布可以随地球一起绕太阳运行时，始终处于地球暗夜的一侧，并确保遮阳板外层始终对着太阳、地球和月亮的方向。只有这样才能让红外波段的观测远离干扰，真正看到「更远更清晰」。
图｜三代望远镜对同一宇宙区域拍摄的照片
其实红外波段的空间望远镜已经经历了三代，这张图片是三代红外空间望远镜对同一个宇宙区域的拍摄图片，体现了一代的「怀斯」、二代的「斯皮策」到三代「韦布」的巨大技术和工程进步！
02
睁眼看到了什么？
韦布从完成调试工作后，最近显然就一直没闲着，一定已经进行了不少拍摄研究。美国时间 7 月 12 日，韦布空间望远镜的第一批图像的终于揭晓。他们是由美国航天局、欧空局、加空局和空间望远镜科学研究所的代表组成的国际委员会挑选的。
这张照片中的天体名为「SMACS 0723」的星系团，由于距离我们 46 亿光年的距离，所以这实际上是它 46 亿年前的样子。
图｜「SMACS 0723」星系团
图片那些明亮的白色恒星是银河系里面乱入的家伙，而颜色越偏红的星系，则意味着距离我们越远。其原因是因为宇宙一直在膨胀，距离我们越远的星系，远离我们的速度也越快，所以根据多普勒效应会带来的「红移」现象，这张照片上很好地还原了这一点。
这个看起来很大的区域，在天空中实际只有沙粒大小。哈勃之前拍摄这样的深空影像要持续曝光数周时间，但韦布只用了 12.5 个小时，就呈现出了「一沙一世界」的宇宙，这体现了其划时代的观测能力。
同时照片里可以看到一些类似「鬼影」的弧形光影，这其实就是「引力透镜」效应的明显体现。因为前面有大质量天体、暗物质等的存在，后面的星系光线会产生弯折，呈现出这种奇特的形状。这是爱因斯坦老爷子当年在没有任何实际观测支撑，靠广义相对论推理出来的现象，现在已经成了深空观测里最普遍被发现的景象。
图｜船底座星云
这张被无数人转发的图片，是船底座星云。充分体现了科学家们也很会撩人心，因为这实在太养眼了。其实，船底座星云算是是天空中最大最亮的星云之一，距离我们也不太远，只有 7600 光年。一直是个望远镜打卡点，哈勃当年也没少拍它。这次的照片之所以看起来更通透和令人震撼，恰恰体现了红外波段望远镜的优势——那就是可以看到更多肉眼不可见的光学信息。
这种星云往往是恒星的婴儿房，其间正在不断诞生新的恒星，如果无限放大，甚至可以清晰地看到很多一团一团的「恒星胚胎」，每一个都有太阳系那么大。之所以星云这么好看，也是因为它会被这些恒星的星光照亮和激发，算是宇宙中最壮丽的景象之一了。
图｜光谱分析图
这张图是一个光谱分析图，讲的是 WASP-96 b——太阳系外的一颗气态行星。这个行星距离地球大约 1150 光年，质量大约是木星的一半。这其实主要体现了韦布空间望远镜超强的「光谱观察能力」。不要觉得这个没有前面的图震撼，未来要发现第二个地球，甚至是在系外行星身上发现外星生命存在的证据，就要靠它了。
图｜南环星云
这张是一个行星状星云——南环星云。行星状星云是一个恒星走到生命晚期超新星大爆发后形成的一个不断膨胀的气体云。它的直径接近半光年，距离地球大约 2000 光年。这个场景是宇宙中很多恒星的最终归宿。
当年哈勃也曾经拍摄过非常著名的蟹状星云的极高清图片。有意思的是，一颗恒星在生命末期的爆发，会搅动身边的星际物质形成这种星云，但与此同时，这种涟漪也会最终塑造星云诞生新的恒星和行星。
实际上正是这种爆发才会在宇宙中播撒恒星核聚变末期形成的碳、铁等更重的元素。地球也好，我们人类也罢，都是因为宇宙百亿年来恒星不断如此生死循环才存在的。归根结底，大家都是恒星的孩子。
图｜「斯蒂芬五重奏」星系团
这个被称作「斯蒂芬五重奏」的星系大家庭，距离我们大约 2.9 亿光年，它是 1877 年发现的第一个致密星系团。其实五重奏中的那个偏白色的星系是个前景星系，属于凑热闹的。人家后面四个橘黄色的星系是真正纠缠在一起，被锁定在一个在宇宙尺度上的「近距离宇宙贴面舞」之中。
可以看到这些星系之间因为引力作用下彼此的相互影响。比如细长的旋臂和长长的气态潮汐尾巴都是这场宇宙舞蹈带来的特色景象。
这些只是韦布空间望远镜开始正常工作一个月内的一些图片。接下来真是难以想象，这个人类的前所未有的眼睛还会带来多少惊喜和壮丽的宇宙景象。
如果说哈勃空间望远镜是人类观测宇宙的「第一代」杰作，那么韦布就是一个绝对的技术新高峰。其实，接下来中国的巡天空间望远镜也将发射升空。这个整舱纵向全长约 14 米，最大直径 4.5 米的可见光波段望远镜，可以说是一个进化版的哈勃。
再结合前段时间拍摄了银河系核心大质量黑洞照片的「事件视界望远镜」系统（EHT）、以及 FAST（中国天眼）等为代表的射电望远镜，如今再加上韦布空间望远镜，这些可以构成人类宽波段观测能力的组合。这将是全人类探寻宇宙奥秘的一次大进步。
如果算算人类在「仰望星空」这方面的全部历史投入，可能真的都不如一场现代局部战争花得钱多。甚至，绝大部分项目本身，花费的资金都小于一个明星创业公司的融资规模。
我曾经有幸拜访过 FAST 天眼的核心团队，也和斯皮策空间望远镜的项目负责人交流过，这些科学家们其实倒不这么「矫情」地想问题，他们已经习惯了这种大部分时候被遗忘，偶尔会被世界称赞 1 分钟的漫长事业。
世界可能就是这样不完美，这个客观状况未来可能也不会改变。但是当我们每一天都能感受到科技在赋能商业的价值，那么也确实应该留一点点时间和资源，守护下人类的好奇心和进取心吧。
人类的好奇心和进取心会带来科学的进步，然后才有技术的革命性发展，然后才有企业和个体的成功。确实应该给那些看起来算不过账，但实际上无比有意义的科学事业，多一些关注和支持。
我想了想，现在我能做的，可能就是在出差的路上花些时间写下这篇文章，或许你能做的，是把它转发出去吧。
*头图来源：NASA
极客一问
韦布空间望远镜值100亿美金吗？