一文了解国际最贵“鸽王” 詹姆斯·韦布空间望远镜
它是至今为止人类历史上建造的最昂贵、最复杂的天文仪器。耗资近百亿美元的它，可以看到宇宙中的第一缕光，并为人类揭示恒星演化的秘密。
它也是名副其实的“鸽王”，发射日期最初预计是2007~2011年，因经费和技术问题推迟到2014年，又推迟到2018、2019年，再到2021年末，多年来江湖上一直流传着它的传说。
它便是詹姆斯·韦布空间望远镜。
“鸽王”的基本信息
詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST or Webb，以下简称韦布望远镜）是美国国家航空航天局（NASA）与欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）的国际合作项目。
它由美国29个州及14个国家的300多所大学、研究机构以及相关公司的数千名工程师和数百名科学家共同完成。
詹姆斯韦布空间望远镜工作示意图
点击展开
韦布望远镜的基本信息
（数据来源：NASA官方）
运载火箭：阿丽亚娜5型运载火箭；
工作时间：发射在轨后调整工作状态时间为6个月，预计工作5-10年；
总有效载荷质量：约6200kg，包括科学仪器、在轨消耗品等；
主镜直径：约6.5m；
主镜通光口径面积：25m²；
主镜材质：由18个子镜构成，均为铍镜，反射面镀金以保证对红外光的反射率；镀金层厚度1000Å=0.1um，因此可计算JWST镜面金含量为48.25g，约一个鸡蛋的质量（但体积比鸡蛋小得多）。
主镜总质量：705kg；
拼接子镜质量：单个铍子镜质量为20.1kg，包含支撑结构等39.84kg；
焦距：131.4m；
分辨率：~0.1角秒@2um；
工作波段：0.6~28.5 um；
遮阳罩尺寸：工作时背对太阳，设计遮阳板尺寸21.197m*14.162m；
遮阳罩温度：第一层最高温度~383K=110℃；第五层最高温度~221K=-52℃，最低温度~36K=-237℃；
运行轨道：距地球150万公里的拉格朗日点L2点运行；
望远镜工作温度：< 50K =-223℃
“鸽王”历史要从32年前说起
从提出构想到真正发射升空，韦布望远镜走过了几十年的历程，经费也从数亿美元膨胀到近百亿美元。
1989年空间望远镜研究所（Space Telescope Science Institute，STScI）举行了一场研讨会，主题是讨论哈勃太空望远镜（HST）的继任者（尽管此时HST还未升空）。与会者认为继任者“下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope, NGST）”应可以观察中红外光谱区域，此时，NGST还不叫韦布望远镜。
1990年，来自美国国家科学院、工程院和医学院的“十年调查”权威报告提出NGST应该是口径为6米级的制冷型红外空间望远镜，而之前STScI研讨会认为它的口径应为10米级。1995年因预算问题主镜的尺寸最终确定为4米。
1996年NASA在“极限拉扯”中将口径增加到8米（哈勃望远镜的口径是2.4米），提出为了将其塞进运载火箭中，采用可分段折叠的主镜结构，并宣布NGST将于2007年至2011年之间发射（为“鸽王”的名号埋下伏笔），项目经费从10亿美元上涨至35亿美元。
2002年根据调研情况，NASA选择与美国TRW公司合作。同年8月14日NGST更名为“詹姆斯-韦布空间望远镜”，以纪念NASA第二任局长和阿波罗计划的主要发起者——詹姆斯·韦布。
不但名字变了，十几年中韦布望远镜的“模样”也变了很多次：
1990年↓↓↓
“十年调查”中，空间紫外光学小组讨论的NGST的结构布局，与现在的造型完全不同！
1996年↓↓↓
NASA设计的NGST草图，此时它带有一个可折叠的8米口径主镜
21世纪↓↓↓
2004年设计图（左）和2009年的设计图（右），与现在的韦布望远镜已经相近了
2004年韦布望远镜的一些零件开始制造。此时韦布望远镜的经费吃掉了NASA的全部预算，已经达到65亿美元，导致NASA很多任务的取消或推迟：例如2003年提出的WFIRST望远镜，该望远镜目的是用来寻找更适合人类居住的行星。
2010年韦布望远镜的关键任务通过了审查，这意味着它将有能力完成预期设定的所有科学任务。但在2011年韦布望远镜项目又险些被腰斩。由于耗资巨大，在这一年美国国会打算取消该项目，但科学界的大力支持让美国国会做出妥协：为韦布望远镜设定了80亿美元的经费红线，同时推迟至2018年发射。（顺便说一下，韦布望远镜由于经费问题多次放鸽子：在2017年9月NASA又宣布推迟至2019年6月发射，此时经费已经超过了80亿美元的红线，但没有被终止。）
JWST的最终设计方案！
2012年，主镜和支撑结构制造完成，此时口径最终确定为6.5米。2014年开始制造遮光罩，燃料仓、陀螺仪、太阳能电池板等。一年后，韦布望远镜的18个主镜与次镜（副镜）、支撑杆被安装在背板上。
JWST的光学部分组件
2016年，韦布望远镜的所有部件开始组装，2019年所有科学设备集成完毕。2021年初，望远镜通过了测试，并准备在2021年末进行发射。
2021年末，“千呼万唤始出来”的韦布望远镜本来预告在12月22日发射，结果由于天气原因又推迟到25日，这真是“鸽王”最后的倔强。
推迟了这么久，它“过时”了吗？
韦布望远镜一再放“鸽子”，但是人们对它还是充满期待，因为它仍搭载着非常先进的技术以及极具创新性的设备。
首先是其拼接型的主镜。主镜口径达6.5米，为了能将其塞进火箭中而设计成了部分折叠的形式。子镜设计为六边形，不仅保证了填充效率还具有高的对称性，只需设计三种子镜面形即可。进入轨道后，主镜会重新展开，工程师利用红外相机对已知恒星拍照，通过对比十八个子镜各自成像的情况，利用计算机算法将主镜调整共焦。
漫漫展开路：从展开、降温到最终校准需要约5个月时间
为了保证对微弱红外光的反射率，镜面需要镀金（要精密控制金膜厚度均匀一致）并且冷却到极低的温度，防止镜体自身对光的吸收以及自身辐射的红外线淹没了目标光信息。
折叠了一翼的JWST及其在阿丽亚娜5型运载火箭中的样子
第二个就是它的“工作地点”。在18世纪，拉格朗日解决了“三体问题”，即三个物体互相围绕旋转而保持相对位置不动的布局。这个问题最终有个五个解，即下图所示的五个拉格朗日点L1-L5。在这五个点上，两个大质量物体提供的引力，恰好可以维持第三个物体圆周运动所需要的向心力。而韦布望远镜将在L2附近工作，只需要很小的推进力即可保持在工作轨道上。
日-地系统的五个拉格朗日点，JWST工作时背对太阳
第三，就是遮光罩了，能让望远镜保持极低温度的秘密武器就是它。遮光罩由5层称为“Kapton”的聚酰亚胺薄膜材料构成，每一层涂有铝，靠近太阳的第一层和第二层还涂有掺杂硅。它可以在-269℃到400℃的范围内保持稳定。遮光罩采用热点粘合工艺（TBS）无缝拼接，如果出现撕裂，该工艺可以防止撕裂口延伸到其他区域。遮光罩的降温效果十分优秀，韦布望远镜工作时，面向太阳一面温度将达到110℃，而到了第五层时最低温度可达到-237℃！此外为了平衡光压保证韦布望远镜的姿态，遮光罩在设计时还有力学方面的考量。
JWST的五层遮光罩以及热点粘合（TBS）工艺
上天之后，它会看到什么
JWST将看到宇宙中出现的第一批恒星系
韦布望远镜将搭载四个关键科学仪器：近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪（FGS/NIRISS）。
（a）NIRCam，（b）NIRSpec，
（c）MIRI，（d）FGS/NIRISS
近红外相机 (NIRCam)是JWST的主要成像设备，由亚利桑那大学和洛克希德马丁公司制造。其工作波段为0.6-5um。它所搭载的十个碲汞镉(HgCdTe)探测器阵列将用来发现处于形成时期的早期的恒星和星系、观测附近星系中的恒星数量以及银河系和柯伊伯带天体中的年轻恒星。
近红外光谱仪（NIRSpec）由ESA提供，覆盖波段0.6-5um。通过红外光谱不仅可以“看出”物体的温度等物理信息，还可以分析目标的化学组成。由于光线微弱，韦布望远镜需要“盯着”目标数百个小时积累光能。而其搭载的微快门阵列使它可以同时观察100个目标以提高效率，是太空中第一台具有如此非凡能力的科学仪器。
NIRSpec微快门阵列，每个快门宽度与头发丝相当，利用磁场控制打开或关闭
中红外仪器（MIRI）具有相机和光谱仪的功能，由欧洲和美国多个研究机构合作完成，工作波段为5-28um。它的相机模块具有极高的灵敏度，可探测到微弱的光并提供宽视场宽带图像；光谱仪模块搭载三个掺砷硅(Si:As)探测器阵列，可在小视场内提供中等分辨率光谱，提供新观测信息。
近红外成像仪和无缝隙光谱仪（NIRISS）由CSA制造，针对不同的波长范围有不同的工作模式；精细制导传感器（FGS）将结合星敏感器，确保JWST能够精确的长时间指向观察目标，收集足够的光能，得到高质量的图像。
它们能“看到”哪些信息呢？
由于宇宙的膨胀，物体之间的空间被拉伸，这导致在136亿年前宇宙中第一批恒星发出的光到达太阳系时会发生很强的“红移”，即光的波长相对于它发出时变长了。可以预计，宇宙中最初的恒星发出的紫外光和可见光已经变为近红外和中红外光。宇宙中的红外望远镜能够发现它们。
如果谱线红移波长是原有波长的2倍，则称为一倍红移；如果谱线红移波长为原有波长3倍，则称为二倍红移。JWST可观测十五倍红移的光（紫外光已经变为中红外光），确保它有足够的实力还原宇宙中诞生第一颗恒星最初的模样！
观测目标的远离造成光谱线的红移（波长边长），可以利用特征谱线对红移进行测量
此外，韦布望远镜还可以帮助我们研究星系的形成。在上世纪初期，人们认为宇宙就是银河这座孤岛，在其外只是零星的模糊亮斑。1923年美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在仙女座中观测到了一颗有规律的明暗变化的恒星，判断出它距离银河系很远，是一个独立的星系。这一发现如哥白尼提出“日心说”般，让人类重新认识到宇宙的浩瀚。
左图1924年哈勃在威尔逊山利用胡克望远镜观察；
右图是HST拍摄到的各种形状星云的照片
目前星系呈现的各种形状，普遍认为是近十亿年前星系之间相互干扰和合并造成的。哈勃望远镜已经拍到了一些星系模糊的形状并整理得到了一些规律，作为继任者，韦布望远镜将会更清楚地看到种类繁多的星系。
韦布望远镜的另一类重要任务是研究系外行星的大气层并寻找其他可能有生命存在的行星。通过光谱学研究，我们可以推测目标的颜色、四季变化、植被和天气等信息（如果有的话）。
韦布望远镜同时也将利用光谱学技术，通过分析对比不同物质独特的光谱线，了解太阳系中天体的化学组成，更详细解读 “人类的家园” 。
由于化学元素、分子都具有不同的光谱线，因此研究人员可以采用光谱学手段研究太阳系以及系外天体的化学组成情况
“鸽王”发射后会怎样？
韦布望远镜发射后3天到达月球轨道，而后需要约27天的时间到达L2点。
发射的第一个小时：早上从法国的圭亚那French Guiana起飞，由阿丽亚娜5号运载火箭推进26分钟。当二级发动机关闭后，韦布望远镜将与阿丽亚娜5号分离，并且在几分钟内转变为利用太阳能电池阵列供电，很快便会完成空中定位以及飞行准备。
第一天：将使用自身搭载的小型火箭发动机进行第一次轨道修正，此外还会部署高增益天线以便实现数据传输。韦布望远镜有两种类型的火箭推进器。一种称为“二次燃烧增强推进器”（SCAT)，使用肼和四氧化二氮作为燃料和氧化剂，用于轨道校正；另一种推进器称为单组元火箭发动机（MRE-1）只使用肼作为燃料。
第一周：重点第二次轨道矫正后展开遮阳罩，期间还要进行望远镜的其他部分展开的布局。
第一个月：重点是进入L2轨道并部署望远镜，包括镜体展开和冷却、科学仪器的开机。冷却时间通过电热装置控制，防止骤冷引起设备故障，让内部残留的水可以汽化逸出，防止镜面结冰。
之后五个月：第一个月的月末将进入L2最佳位置，并利用五个月时间校正光学器件共焦和校准科学仪器，将18个子镜调整共焦、
第六个月末：仪器校准和调试完成，开始真正的科学观察。
结语
詹姆斯·韦布空间望远镜是人类天文学历史上的宏伟巨作。作为哈勃空间望远镜的后继者，它在红外波段拥有极高的探测能力，希望它能告诉我们宇宙中更深层次的秘密：
那些笼罩在尘埃中的恒星系、其他系外行星的大气以及宇宙中最初形成的星系所发出的第一束光。
（文中图片均源自NASA官网公开资料，详情见参考文献，表情包为作者提供）
参考文献：
[1] NASA，关于詹姆斯韦布，你需要知道的信息：https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/needToKnow.html
[2] Space Telescope Science Institute，詹姆斯韦布的起源与发展史：https://www.stsci.edu/jwst/about-jwst/history
[3] NASA，哈勃望远镜：https://solarsystem.nasa.gov/missions/hubble-space-telescope/in-depth/
[4] Astronomski Magazin，詹姆斯韦布的历史：https://astronomija.org.rs/opservatorije/15393-istorija-james-webb-teleskopa-2
[5] Scientific American，詹姆斯·韦布太空望远镜要改名了？：https://huanqiukexue.com/a/qianyan/tianwen__wuli/2021/0304/31226.html
[6] NASA，韦布轨道：https://jwst.nasa.gov/content/about/orbit.html
[7] NASA，关于韦布的常见问题：https://jwst.nasa.gov/content/about/faqs/faq.html#whowas
[8] NASA，JWST展开细节：https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/deploymentExplorer.html
版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！
文章首发于科学大院，仅代表作者观点，不代表科学大院立场。转载请联系cas@cnic.cn
推荐阅读
未来的望远镜是什么样的 >>
科学大院是中科院官方科普微平台，由中科院科学传播局主办、中国科普博览团队运营，致力于最新科研成果的深度解读、社会热点事件的科学发声。
转载授权、合作、投稿事宜请联系cas@cnic.cn
大院er拍了拍你：不要忘记
点亮这里的 赞 和 在看 噢~