估值超过8家独角兽公司，这台望远镜到底有多牛？
任何伟大的成就都不会一蹴而就，太空探索当然也不例外。NASA克服了重重困难，终于拿到了这笔88亿美金的巨额预算，用于建设这台有史以来最强大、最昂贵的太空望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）。太空探索从来都不仅仅是研究人员在实验室里研究科学那么简单，它同时还承载着人类的诗和远方。
小线说本文来自DeepTech深科技，作者鞠强
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一台新的超级太空望远镜即将于2018年发射升空，一段新的传奇也即将拉开序幕。现在我们无法想象，这台耗资超过88亿美元的望远镜会带给我们怎样的震撼，我们对宇宙的认识又会怎样被改写。
从伽利略到哈勃望远镜
1609年伽利略将望远镜对准星空，近代科学革命的大幕由此开启，人类的历史也迈进了一个新的纪元。400多年来，望远镜作为人类最重要的科学发明之一，深刻改变了我们对宇宙的认识。但是，随着人类的视线投向更加遥远的宇宙深处，随着人类对观测精度有越来越高的要求，所有地面上的望远镜都不得不面对一个严峻的问题：地球大气层对观测的干扰。
天文学家为解决这个问题做了很多努力。他们试着将望远镜建在高海拔地区或者渺无人烟的地方，例如欧洲南方天文台（European Southern Observatory）将主要观测设备建在智利阿塔卡玛沙漠海拔2400米的地方，那里十分干燥的气候能有效地减少大气中的水汽对天文观测的影响。不过，即便这样，大气对观测还是会产生干扰，特别是在某些信号本身就很微弱的情况下，这些干扰就显得更加致命。
地基望远镜（左图）与哈勃望远镜（右图）拍摄的冥王星（Pluto）与冥卫一卡戎（Charon）的比较图，清晰度的差别非常明显。
天文学家在地面上想尽了各种办法，接下来他们开始把视线投向一直仰望的星空。如果望远镜位于大气层外，那么大气干扰带来的所有问题就都迎刃而解。既然我们能将各类卫星发射到太空中，为什么不能将望远镜也建在太空中呢？而且长期以来美国使用的间谍卫星从原理上讲就是望远镜。这样一来，发射太空望远镜就成为一个很自然的选择。
哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）于1990年发射升空。时至今日，哈勃望远镜仍在工作中。它克服了大气干扰的影响，有效地弥补了地面观测的不足，获得了大量极有价值的观测数据，在天文学的发展史上具有里程碑的意义。
哈勃望远镜也是美国国家航空航天局（NASA）大型轨道天文台计划（Great Observatories Program）的一部分。该计划共包括4个太空望远镜，除哈勃望远镜外，还有康普顿伽马射线望远镜（Compton Gamma-Ray Observatory）、钱德拉X射线望远镜（Chandra X-ray Observatory）和斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）。
划时代的韦伯望远镜
虽然哈勃望远镜为天文学家观测宇宙提供了强有力的支持，但是哈勃望远镜的探测范围主要是光谱中的可见光波段，而宇宙中的很多重要信息却隐藏在其他波段中。例如1965年阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）通过研究微波信号发现了宇宙微波背景辐射（cosmic microwavebackground radiation），成为支持大爆炸理论最有力的证据之一。两人也因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。
20世纪20年代，爱德温·哈勃（Edwin Hubble）发现了星系的红移-距离关系，促进了现代宇宙学的诞生。我们已经知道，宇宙在膨胀，而且离我们越远的星系远离我们的速度也越快。星体在远离我们的时候，发出的光谱会向长波长方向移动，这就是红移。因为距离太远，宇宙中最古老的星系发出的可见光到达地球的时候已经成为红外光。因此，探测红外波段就有着十分重要的意义。正因为这个原因，天文学家正在建设有史以来最强大也是最昂贵的太空望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）。
说韦伯望远镜最昂贵，是因为它的造价超过88亿美元，这是美国政府有史以来支持过的耗资最大的科学项目。说韦伯望远镜最强大，是因为它的探测能力超过以往所有的红外望远镜。约翰·马瑟（John Mather）因为发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而获得了2006年的诺贝尔物理学奖，目前他也在参与韦伯望远镜项目。关于这台望远镜的探测能力，马瑟在美国科学促进会（AAAS）的一次会议上打了这么一个比方：“韦伯望远镜有能力探测到25万英里外一只大黄蜂发出的热量，而这也是地月之间的距离”。
这台望远镜以 NASA 第二任局长詹姆斯·韦伯（James Webb）的名字命名。他于1961年至1968年间担任 NASA 的负责人，正是在他的直接领导下，美国开始了登月计划，迎来了空间科学发展的黄金时代。
詹姆斯·韦伯（JamesWebb，1906-1992）
在大型轨道天文台计划中，哈勃望远镜的名气最大，由它拍摄的很多太空美图给人类以巨大的震撼，因此很多人会将韦伯望远镜同哈勃望远镜相提并论。但从原理上讲，韦伯望远镜实际上是斯皮策望远镜的继任者，因为两台望远镜都是观测红外波段。只不过韦伯望远镜的性能要比斯皮策望远镜强大很多，前者的镜面面积是后者的50倍，而分辨率前者是后者的8倍。
镜面面积是望远镜的一个关键指标，一般来说镜面更大，收集信号的能力就更强。不过受火箭携带空间和发射重量等因素的限制，太空望远镜的镜面面积要比地基望远镜小得多，即使是韦伯望远镜也不例外。如下图所示，左下角是韦伯望远镜和哈勃望远镜，而右下角的“大家伙”是欧洲南方天文台正在建设的欧洲极大望远镜（European Extremely Large Telescope），预计于2022年左右建成。韦伯望远镜主镜的直径是6.5米，而欧洲极大望远镜的主镜直径达到39米。
不同望远镜主镜的比较（来源：Wikipedia）
欧洲极大望远镜想象图（来源：Wikipedia）
韦伯望远镜的细节
韦伯望远镜预计于2018年在法属圭亚那发射升空。欧洲空间局（ESA）也会参与韦伯望远镜项目，该机构会提供搭载韦伯望远镜的阿丽亚娜5型火箭（Ariane5 rocket）及相关的配套发射服务。这型火箭是目前世界上运载能力最强的火箭，但因为内部空间有限，因此韦伯望远镜还是需要折叠起来才能被容纳其中。
阿丽亚娜5型火箭搭载韦伯望远镜示意图（来源：NASA/ESA）
发射之后，韦伯望远镜需要用大概30天的时间来完成150万千米的旅程，最终到达它在太空中的预定位置——第二拉格朗日点（L2）附近。拉格朗日点指的是在两个大物体（太阳和地球）的引力系统中，存在一些点，小物体位于这些点时，可以相对于两个大物体基本保持静止。
在日地系统中，有5个拉格朗日点，其中L4和L5是稳定的点，另外3个则是亚稳定的。如果太空望远镜需要在相对地球稳定的位置进行长期观察的话（韦伯望远镜的工作年限预计为5-10年），那么拉格朗日点是一个很理想的位置。在此之前，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）、赫歇尔太空望远镜（Herschel Space Observatory）和普朗克卫星（Planck satellite）都曾在L2附近停留。
5个拉格朗日点，韦伯望远镜位于L2（来源：NASA）
韦伯望远镜承载了科学界巨大的期待，将在多个领域开展深入的观测。它作为一台强大的“时光机器”，将有能力回望大爆炸后2亿年也就是大概135亿年前宇宙的模样，观测早期恒星和星系的形成过程。同时，它的史无前例的红外敏感度会帮助天文学家将最早最小的星系同今天巨大的螺旋星系和椭圆星系进行比较，有助于我们理解数十亿年来星系如何聚合在一起。
韦伯望远镜相比哈勃望远镜还有一个优势。哈勃望远镜主要观测可见光波段，而可见光会被星际尘埃吸收，这样可见光携带的信息就会丢失。与此相对，红外光不会被吸收，韦伯望远镜就可以观察星际尘埃。这对研究恒星的诞生尤其重要，因为年轻的恒星往往就是诞生在巨大的尘埃云中。此外，韦伯望远镜将会对太阳系外行星的大气成分进行研究，也许会在宇宙的其他角落发现生命的组成成分。
韦伯望远镜要以前所未有的精度对宇宙进行观测，而要实现这个目标，必须配以前所未有的先进技术。举个例子，韦伯望远镜需要在极低的温度下工作，这样就对冷却技术提出了很高的要求。
望远镜上网球场大小的结构就是用来遮蔽太阳和地球发出的热量。遮光板内部主体是真空，利用了真空绝佳的绝热性质。真空外的部分是隔热层，主要材料是聚酰亚胺（Kapton），表面镀以高反射性的铝并掺杂硅。红外辐射在不同层之间反射，绝大部分热量从隔热板边缘散出。
隔热层共有5层，其中的4层用来满足对望远镜冷却的要求，而余下的1层主要是为了在空间中的微小物体对其它4层隔热层造成损坏时起到补充的作用。隔热层的效果非常明显：韦伯望远镜会在零下225℃的温度下工作，而与此对照的是，望远镜的受热面温度会达到零上100℃。
韦伯望远镜的主镜由18块六边形的的镜面组成。直径6.5米的主镜赋予韦伯望远镜强大的探测能力，但如前文所述，镜面需要折叠起来才能装入火箭。除尺寸外，韦伯望远镜另一个需要面对的问题是重量。在镜面面积比哈勃望远镜有非常明显增加的情况下，如果使用相同的材料，势必会超出火箭的起飞重量。这一次，研究人员用铍（beryllium）来制造镜面。这种金属很轻，并且可以在极低的温度下不变形。镜面镀金，以获得高红外反射率。
研究人员正在检查韦伯望远镜的镜面（来源：NASA）
除了自身的结构和材料外，研究人员需要解决的另外一个问题是数据和指令的传输。目前计划的运行模式是借助深空网络（Deep Space Network）每天两次上传指令和下传数据，这会通过位于澳大利亚、西班牙和美国加州的地面基站来完成。
韦伯望远镜每天会产生235GB的数据，这要求深空网络的带宽超过10M/秒。为了达到如此高的传输速率，研究人员必须改变此前使用的传输频率，并且对基础设施进行整体升级。这将有助于建立一个新的传输标准，并服务于未来新的太空任务。
道阻且长的探索之路
任何伟大的成就都不会一蹴而就，太空探索当然也不例外。韦伯望远镜计划的实施一波三折，2011年美国国会因为不断增加的项目预算和不断推迟的工程进展差一点就取消了该计划。这和1993年美国国会终止建造超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，SSC）似乎如出一辙。
那一次，美国高能物理学界失去了一个黄金机会，并目睹欧洲成为高能物理学研究新的高地。接下来的故事我们都耳熟能详：欧洲核子研究中心（CERN）建设了大型强子对撞机（LHC），最终发现了希格斯玻色子（Higgs Boson），并且取得了一系列其他重要的发现，深刻改变了我们对粒子世界的认识。
幸好这一次韦伯望远镜没有重蹈SSC的覆辙，它终于战胜各种困难被保留下来。研究人员也在按照原定预算和日程紧锣密鼓地推进项目，一切都朝着好的方西发展。与此同时，韦伯望远镜项目还成为新世纪美国政府大型工程组织的一个范本，正如20世纪的曼哈顿计划和阿波罗计划一样。
需要值得注意的是，NASA的太空探索从来都不仅仅是研究人员在实验室里研究科学那么简单，这些任务同时还承载着面向公众传播科学的使命。NASA一直有一个惯例，就是向儿童和青少年征集火星车的名字。从好奇（Curiosity）、勇气（Spirit）和机遇（Opportunity）这三个名字中，我们也许就可以感受到孩子们眼中的科学精神。
公众会对遥不可及的太空探索产生浓厚的兴趣，原因就在于这些探索触碰到宇宙的起源和生命的意义这些人类最关注的核心问题。古罗马著名哲学家西塞罗（Cicero）曾经说过：“如果一个人能对着天上的事物沉思，那么在他面对人间事物时，其所言所思就会更加高尚。”这说明我们对星空的探索不仅拓展了我们对于物质世界的认识，而且也深刻地影响了我们的社会生活和精神世界。
韦伯望远镜，不仅是一台强大的科学仪器，更是人类永不满足的好奇心的化身。现在，我们可以去期待韦伯望远镜顺利发射升空，超越哈勃望远镜，成为一个新的传奇。
不要走开，故事即将开始。
参考资料：
[1]http://jwst.nasa.gov/
[2]http://arstechnica.com/science/2016/03/meet-the-largest-science-project-in-us-government-history-the-james-webb-telescope/
[3]http://www.guokr.com/article/441159/