耗資百億美元、花費(fèi)25年建造的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡終于升空！與哈勃有何不同？

“韋伯”太空望遠(yuǎn)鏡終于發(fā)射升空！耗資百億美元，14年前就計(jì)劃將其發(fā)射至太空，為何拖了這么久？它與“哈勃”有何不同？

北京時間2021年12月25日20點(diǎn)20分,在發(fā)射延遲數(shù)年后，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡“繼任者”—— 詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡從法屬圭亞那庫魯航天中心發(fā)射升空。

據(jù)介紹，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡耗資約 100 億美元，比哈勃望遠(yuǎn)鏡大六倍，有望觀測到 135 億年前的宇宙。

▲韋伯望遠(yuǎn)鏡集成科學(xué)儀器模塊內(nèi)各儀器圖示及發(fā)射運(yùn)行過程等相關(guān)展示（圖片來源：《北京科技報(bào)》）

二十五年“磨”一鏡

▲地球（藍(lán)色點(diǎn)）-太陽（黃色點(diǎn)）兩體體系的五個拉格朗日點(diǎn)（綠色點(diǎn)）

從1996年開始，美國宇航局從尋找建造這個新式空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃至今已經(jīng)有25個年頭。韋伯望遠(yuǎn)鏡作為美國宇航局史上最復(fù)雜的項(xiàng)目之一，其風(fēng)險(xiǎn)是巨大的?！绊f伯”太空望遠(yuǎn)鏡將放置于太陽─地球的第二拉格朗日點(diǎn)，距離地球150萬公里遠(yuǎn)（地球與月球平均距離38萬公里），由于距離地球太遙遠(yuǎn)無法派宇航員進(jìn)行維修保養(yǎng)，所以它的設(shè)計(jì)制造必須完美無缺，否則將功虧一簣！因此一旦在測試中發(fā)現(xiàn)任何未知問題，都會導(dǎo)致發(fā)射被推遲。

“三位一體”的光學(xué)組件

韋伯望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)組件是最重要的有效載荷，具有等效口徑大、境面反射率高、極冷環(huán)境佳和聚焦精度好這幾個特點(diǎn)，顯示出技術(shù)和工程上的創(chuàng)新。光學(xué)系統(tǒng)組件是一個“三鏡系統(tǒng)”，包括主鏡（一級）、副鏡（二級）和第三個鏡面——光學(xué)子系統(tǒng)，完整的光學(xué)系統(tǒng)組件像一架射電望遠(yuǎn)鏡。

▲光學(xué)組件工作原理

主鏡最大最重，需要一個大型支撐結(jié)構(gòu)，很難磨制成單一鏡面，且現(xiàn)有運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)也無法裝下，因此主鏡面由18塊獨(dú)立的六邊形鏡片組成。六邊形鏡片很容易無縫拼接在一起形成近圓形的主鏡面，每個鏡片的等效直徑為1.32米，拼接完成后的主鏡面拋光總面積達(dá)26.3平方米，除去副鏡和支撐支柱的遮擋部分，有效收集面積為25.4平方米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過哈勃望遠(yuǎn)鏡的主鏡。

為使主鏡各鏡片能夠精確聚焦，除加工時保持極高的精度外，每個鏡片背面裝有6個微型驅(qū)動馬達(dá)，主鏡中心還有一個馬達(dá)，用于調(diào)整曲率。而為了將主鏡各鏡片對齊，形成單一的大鏡子，每個鏡片都對齊到頭發(fā)厚度的萬分之一。加上其他儀器的調(diào)整動作，整個望遠(yuǎn)鏡共裝有132個微型馬達(dá)。

▲鏡片背部結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多道工序，鈹鏡片最后的質(zhì)量為20千克，單位面積質(zhì)量僅為哈勃望遠(yuǎn)鏡主鏡的十分之一。加上馬達(dá)等部件，鏡片總質(zhì)量也僅40千克，主鏡總質(zhì)量約720千克。

第三級鏡面是可精細(xì)調(diào)整的后視鏡，位于主鏡中心突出的黑色鼻錐內(nèi)，也稱為后光學(xué)子系統(tǒng)。主鏡捕獲的光線經(jīng)反射后，被聚焦于副鏡上，副鏡將光線反射到第三級后鏡上，再射向可精細(xì)調(diào)整的后鏡，最后聚焦于主鏡后面排列的科學(xué)儀器上。該部位安裝著星光分析設(shè)備或相機(jī)，使望遠(yuǎn)鏡的視野十分開闊。

作為哈勃望遠(yuǎn)鏡的后繼者，它將在哈勃望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上提供改進(jìn)的紅外分辨率和靈敏度，且紅外波譜更寬，觀測能力更是哈勃望遠(yuǎn)鏡的100倍。這對于天文觀測來說是一個相當(dāng)大的提升。

更強(qiáng)大 更“冷酷”

▲左：“韋伯”望遠(yuǎn)鏡 右：“哈勃”望遠(yuǎn)鏡 （圖源：百度百科）

和“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”相比，在外型上，“詹姆斯·韋伯”與“哈勃”望遠(yuǎn)鏡幾乎完全不一樣。韋伯望遠(yuǎn)鏡沒有鏡筒，望遠(yuǎn)鏡的鏡筒主要是為了防止雜光影響成像和觀測，望遠(yuǎn)鏡越大，所需要的鏡筒也越大越重。韋伯望遠(yuǎn)鏡取消了鏡筒，極大的降低了發(fā)射的重量，但是為了阻擋雜光的影響，它配備了巨大的遮陽裝置。

▲韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡面。（圖源網(wǎng)絡(luò)）

▲在諾斯羅普·格魯曼集團(tuán)的廠房里進(jìn)行展開的五層遮陽傘。值得一提的是，2018年3月，遮陽傘在測試中破了一層，直接導(dǎo)致進(jìn)度推遲至少六個月。（圖源網(wǎng)絡(luò)）

遮陽裝置的使用，使韋伯望遠(yuǎn)鏡具有了降至極低溫度的能力。哈勃望遠(yuǎn)鏡通常維持15攝氏度工作，僅針對可見光和近紫外光進(jìn)行觀測。但是韋伯望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計(jì)成可以將自身溫度降低到-223攝氏度之下，因?yàn)樽陨淼臏囟纫坏┏^了-223攝氏度，它本身的紅外輻射就會掩蓋掉來自宇宙深處微弱的光量子，韋伯望遠(yuǎn)鏡為了觀測到近紅外光，足足配備了五層遮陽傘，每層有一個網(wǎng)球場那么大。遮陽罩第一層直接面向太陽，厚度僅0.05毫米，其他四層則為0.025毫米，而第五層主要用于防止缺陷、微流星撞擊等。

從面積和形狀看，第一層面積最大，且相對平坦；第五層面積最小，彎曲度最大。層間的間隙提供了額外的絕緣效果，各層之間中心間距最小，邊緣處間距最大，可以將熱量從中心引導(dǎo)到外部，最后散發(fā)到空間。每層遮光罩都涂有約100納米的鋁，高反射鋁表面可以將剩余的能量從遮陽層邊緣的縫隙中反射出來。

兩個最熱的層（第一、二層）面向太陽側(cè)還有摻雜約50納米厚的硅涂層，將熱量反射回太空，并提高其在太空環(huán)境中的光學(xué)性能和使用壽命。通過遮陽罩可將多余的光和熱進(jìn)行反射，因此就可以觀察到能量低，行星、塵埃盤等之前未觀察到的天體了。但針對目前的火箭運(yùn)載技術(shù)來說，完全展開韋伯望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行發(fā)射還是不切實(shí)際的，因此韋伯望遠(yuǎn)鏡的遮陽傘與鏡片在發(fā)射時會折疊起來，在發(fā)射后按規(guī)定步驟再展開。

“四大件”保障平穩(wěn)運(yùn)行

集成科學(xué)儀器模塊為一個整體，是為韋伯望遠(yuǎn)鏡提供電力、計(jì)算資源、冷卻能力以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的框架，由粘結(jié)石墨環(huán)氧復(fù)合材料制成，附著在韋伯望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的底部，擁有四臺科學(xué)儀器和一臺引導(dǎo)攝像機(jī)。

▲集成科學(xué)儀器模塊

近紅外攝像機(jī)是一種紅外成像儀，光譜覆蓋范圍從可見光邊緣（0.6微米）到近紅外（5微米）波段，可觀察迄今最遙遠(yuǎn)天體，探測第一批恒星與星系的光線，也可輔助望遠(yuǎn)鏡視野對齊。

近紅外光譜儀也將在相應(yīng)的波長范圍內(nèi)進(jìn)行光譜分析。可探測天體的溫度、質(zhì)量和化學(xué)組成，并且同時可捕捉200個天體的光譜進(jìn)行光譜測繪。

中紅外儀器將用于測量5-27微米的中長紅外波段范圍，包含1個中紅外攝像機(jī)和1個成像光譜儀?？捎糜谟^察低溫、遙遠(yuǎn)的天體，中紅外光可穿透正在孕育恒星的冷塵埃，并揭示大型恒星和黑洞對其周圍空間的影響。

精細(xì)制導(dǎo)傳感器、近紅外成像儀和無縫光譜儀用于在科學(xué)觀測期間穩(wěn)定望遠(yuǎn)鏡的視向，它們是兩個用途完全不同的儀器，只是因?yàn)槲锢頎顟B(tài)安裝在一起而被稱為一個組件或單元。

它可探測天體的溫度、質(zhì)量和化學(xué)組成，分析地外行星大氣組成，可進(jìn)行高精度瞄準(zhǔn)。近紅外光譜儀和中紅外儀器采用星光阻擋日冕儀，還可用于觀測太陽系外行星和非常接近明亮恒星的星周星盤等暗弱目標(biāo)。

暗物質(zhì)或不在“隱秘”

（圖片來源：百度百科）

韋伯望遠(yuǎn)鏡或許可以幫助我們解決暗物質(zhì)之謎。暗物質(zhì)是一種神秘、不可見的物質(zhì)形式，占據(jù)了已知宇宙物質(zhì)的一大部分，質(zhì)量高達(dá)可見物質(zhì)的六倍。到目前為止，暗物質(zhì)始終未能被我們直接探測到。雖然韋伯望遠(yuǎn)鏡也無法直接“看見”暗物質(zhì)，但科學(xué)家認(rèn)為，在拍攝遙遠(yuǎn)星系的照片時，韋伯望遠(yuǎn)鏡可以找到這些質(zhì)量體，并判定是否存在“缺失”、或者觀測不到的質(zhì)量，這些質(zhì)量也許就是暗物質(zhì)。韋伯望遠(yuǎn)鏡尤其適合做這類測量，因?yàn)槠涑上穹直媛蕵O高，可以測出極小的干擾。此外，韋伯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)使其可以看到宇宙深處，遠(yuǎn)超出我們之前的觀測范圍，因此在時間上能看到更久之前的情況。借助這些深空觀測，會對早期宇宙和星系、以及暗物質(zhì)在演化過程中的研究發(fā)揮重要作用。

雖說發(fā)射升空過程“一波三折”，但在多方的努力下，終于還是盼到了正式發(fā)射。希望韋伯望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射運(yùn)行后，會對人類的宇宙研究觀測有極大的幫助。我們也一起期待韋伯在太空的盡情遨游吧！

整理/新媒體編輯 段大衛(wèi)

（內(nèi)容綜合自中科院地質(zhì)地球所、科技日報(bào)、科技導(dǎo)報(bào)、新浪科技）

出品：科普中央廚房

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