耗资百亿美元、花费25年建造的韦伯太空望远镜终于升空！与哈勃有何不同？

“韦伯”太空望远镜终于发射升空！耗资百亿美元，14年前就计划将其发射至太空，为何拖了这么久？它与“哈勃”有何不同？

北京时间2021年12月25日20点20分,在发射延迟数年后，哈勃太空望远镜“继任者”—— 詹姆斯・韦伯太空望远镜从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空。

据介绍，韦伯太空望远镜耗资约 100 亿美元，比哈勃望远镜大六倍，有望观测到 135 亿年前的宇宙。

▲韦伯望远镜集成科学仪器模块内各仪器图示及发射运行过程等相关展示（图片来源：《北京科技报》）

二十五年“磨”一镜

▲地球（蓝色点）-太阳（黄色点）两体体系的五个拉格朗日点（绿色点）

从1996年开始，美国宇航局从寻找建造这个新式空间望远镜计划至今已经有25个年头。韦伯望远镜作为美国宇航局史上最复杂的项目之一，其风险是巨大的。“韦伯”太空望远镜将放置于太阳─地球的第二拉格朗日点，距离地球150万公里远（地球与月球平均距离38万公里），由于距离地球太遥远无法派宇航员进行维修保养，所以它的设计制造必须完美无缺，否则将功亏一篑！因此一旦在测试中发现任何未知问题，都会导致发射被推迟。

“三位一体”的光学组件

韦伯望远镜的光学系统组件是最重要的有效载荷，具有等效口径大、境面反射率高、极冷环境佳和聚焦精度好这几个特点，显示出技术和工程上的创新。光学系统组件是一个“三镜系统”，包括主镜（一级）、副镜（二级）和第三个镜面——光学子系统，完整的光学系统组件像一架射电望远镜。

▲光学组件工作原理

主镜最大最重，需要一个大型支撑结构，很难磨制成单一镜面，且现有运载火箭整流罩内也无法装下，因此主镜面由18块独立的六边形镜片组成。六边形镜片很容易无缝拼接在一起形成近圆形的主镜面，每个镜片的等效直径为1.32米，拼接完成后的主镜面抛光总面积达26.3平方米，除去副镜和支撑支柱的遮挡部分，有效收集面积为25.4平方米，远远超过哈勃望远镜的主镜。

为使主镜各镜片能够精确聚焦，除加工时保持极高的精度外，每个镜片背面装有6个微型驱动马达，主镜中心还有一个马达，用于调整曲率。而为了将主镜各镜片对齐，形成单一的大镜子，每个镜片都对齐到头发厚度的万分之一。加上其他仪器的调整动作，整个望远镜共装有132个微型马达。

▲镜片背部结构

经过多道工序，铍镜片最后的质量为20千克，单位面积质量仅为哈勃望远镜主镜的十分之一。加上马达等部件，镜片总质量也仅40千克，主镜总质量约720千克。

第三级镜面是可精细调整的后视镜，位于主镜中心突出的黑色鼻锥内，也称为后光学子系统。主镜捕获的光线经反射后，被聚焦于副镜上，副镜将光线反射到第三级后镜上，再射向可精细调整的后镜，最后聚焦于主镜后面排列的科学仪器上。该部位安装着星光分析设备或相机，使望远镜的视野十分开阔。

作为哈勃望远镜的后继者，它将在哈勃望远镜的基础上提供改进的红外分辨率和灵敏度，且红外波谱更宽，观测能力更是哈勃望远镜的100倍。这对于天文观测来说是一个相当大的提升。

更强大 更“冷酷”

▲左：“韦伯”望远镜 右：“哈勃”望远镜 （图源：百度百科）

和“哈勃太空望远镜”相比，在外型上，“詹姆斯·韦伯”与“哈勃”望远镜几乎完全不一样。韦伯望远镜没有镜筒，望远镜的镜筒主要是为了防止杂光影响成像和观测，望远镜越大，所需要的镜筒也越大越重。韦伯望远镜取消了镜筒，极大的降低了发射的重量，但是为了阻挡杂光的影响，它配备了巨大的遮阳装置。

▲韦伯望远镜的镜面。（图源网络）

▲在诺斯罗普·格鲁曼集团的厂房里进行展开的五层遮阳伞。值得一提的是，2018年3月，遮阳伞在测试中破了一层，直接导致进度推迟至少六个月。（图源网络）

遮阳装置的使用，使韦伯望远镜具有了降至极低温度的能力。哈勃望远镜通常维持15摄氏度工作，仅针对可见光和近紫外光进行观测。但是韦伯望远镜被设计成可以将自身温度降低到-223摄氏度之下，因为自身的温度一旦超过了-223摄氏度，它本身的红外辐射就会掩盖掉来自宇宙深处微弱的光量子，韦伯望远镜为了观测到近红外光，足足配备了五层遮阳伞，每层有一个网球场那么大。遮阳罩第一层直接面向太阳，厚度仅0.05毫米，其他四层则为0.025毫米，而第五层主要用于防止缺陷、微流星撞击等。

从面积和形状看，第一层面积最大，且相对平坦；第五层面积最小，弯曲度最大。层间的间隙提供了额外的绝缘效果，各层之间中心间距最小，边缘处间距最大，可以将热量从中心引导到外部，最后散发到空间。每层遮光罩都涂有约100纳米的铝，高反射铝表面可以将剩余的能量从遮阳层边缘的缝隙中反射出来。

两个最热的层（第一、二层）面向太阳侧还有掺杂约50纳米厚的硅涂层，将热量反射回太空，并提高其在太空环境中的光学性能和使用寿命。通过遮阳罩可将多余的光和热进行反射，因此就可以观察到能量低，行星、尘埃盘等之前未观察到的天体了。但针对目前的火箭运载技术来说，完全展开韦伯望远镜进行发射还是不切实际的，因此韦伯望远镜的遮阳伞与镜片在发射时会折叠起来，在发射后按规定步骤再展开。

“四大件”保障平稳运行

集成科学仪器模块为一个整体，是为韦伯望远镜提供电力、计算资源、冷却能力以及结构稳定性的框架，由粘结石墨环氧复合材料制成，附着在韦伯望远镜结构的底部，拥有四台科学仪器和一台引导摄像机。

▲集成科学仪器模块

近红外摄像机是一种红外成像仪，光谱覆盖范围从可见光边缘（0.6微米）到近红外（5微米）波段，可观察迄今最遥远天体，探测第一批恒星与星系的光线，也可辅助望远镜视野对齐。

近红外光谱仪也将在相应的波长范围内进行光谱分析。可探测天体的温度、质量和化学组成，并且同时可捕捉200个天体的光谱进行光谱测绘。

中红外仪器将用于测量5-27微米的中长红外波段范围，包含1个中红外摄像机和1个成像光谱仪。可用于观察低温、遥远的天体，中红外光可穿透正在孕育恒星的冷尘埃，并揭示大型恒星和黑洞对其周围空间的影响。

精细制导传感器、近红外成像仪和无缝光谱仪用于在科学观测期间稳定望远镜的视向，它们是两个用途完全不同的仪器，只是因为物理状态安装在一起而被称为一个组件或单元。

它可探测天体的温度、质量和化学组成，分析地外行星大气组成，可进行高精度瞄准。近红外光谱仪和中红外仪器采用星光阻挡日冕仪，还可用于观测太阳系外行星和非常接近明亮恒星的星周星盘等暗弱目标。

暗物质或不在“隐秘”

（图片来源：百度百科）

韦伯望远镜或许可以帮助我们解决暗物质之谜。暗物质是一种神秘、不可见的物质形式，占据了已知宇宙物质的一大部分，质量高达可见物质的六倍。到目前为止，暗物质始终未能被我们直接探测到。虽然韦伯望远镜也无法直接“看见”暗物质，但科学家认为，在拍摄遥远星系的照片时，韦伯望远镜可以找到这些质量体，并判定是否存在“缺失”、或者观测不到的质量，这些质量也许就是暗物质。韦伯望远镜尤其适合做这类测量，因为其成像分辨率极高，可以测出极小的干扰。此外，韦伯望远镜的设计使其可以看到宇宙深处，远超出我们之前的观测范围，因此在时间上能看到更久之前的情况。借助这些深空观测，会对早期宇宙和星系、以及暗物质在演化过程中的研究发挥重要作用。

虽说发射升空过程“一波三折”，但在多方的努力下，终于还是盼到了正式发射。希望韦伯望远镜成功发射运行后，会对人类的宇宙研究观测有极大的帮助。我们也一起期待韦伯在太空的尽情遨游吧！

整理/新媒体编辑 段大卫

（内容综合自中科院地质地球所、科技日报、科技导报、新浪科技）

出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 北科传媒

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