震撼：見證美國政府史上最大科學項目

一台新的超級太空望遠鏡即將於2018年發射升空，一段新的傳奇也即將拉開序幕。現在我們無法想像，這台耗資超過88億美元的望遠鏡會帶給我們怎樣的震撼，我們對宇宙的認識又會怎樣被改寫。

從伽利略到哈勃望遠鏡

1609年伽利略將望遠鏡對準星空，近代科學革命的大幕由此開啟，人類的歷史也邁進了一個新的紀元。400多年來，望遠鏡作為人類最重要的科學發明之一，深刻改變了我們對宇宙的認識。但是，隨著人類的視線投向更加遙遠的宇宙深處，隨著人類對觀測精度有越來越高的要求，所有地面上的望遠鏡都不得不面對一個嚴峻的問題：地球大氣層對觀測的干擾。

天文學家為解決這個問題做了很多努力。他們試著將望遠鏡建在高海拔地區或者渺無人煙的地方，例如歐洲南方天文台（European Southern Observatory）將主要觀測設備建在智利阿塔卡瑪沙漠海拔2400米的地方，那裡十分乾燥的氣候能有效地減少大氣中的水汽對天文觀測的影響。不過，即便這樣，大氣對觀測還是會產生干擾，特別是在某些信號本身就很微弱的情況下，這些干擾就顯得更加致命。

地基望遠鏡（左圖）與哈勃望遠鏡（右圖）拍攝的冥王星（Pluto）與冥衛一卡戎（Charon）的比較圖，清晰度的差別非常明顯。

天文學家在地面上想盡了各種辦法，接下來他們開始把視線投向一直仰望的星空。如果望遠鏡位於大氣層外，那麼大氣干擾帶來的所有問題就都迎刃而解。既然我們能將各類衛星發射到太空中，為什麼不能將望遠鏡也建在太空中呢？而且長期以來美國使用的間諜衛星從原理上講就是望遠鏡。這樣一來，發射太空望遠鏡就成為一個很自然的選擇。

哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）於1990年發射升空。時至今日，哈勃望遠鏡仍在工作中。它克服了大氣干擾的影響，有效地彌補了地面觀測的不足，獲得了大量極有價值的觀測數據，在天文學的發展史上具有里程碑的意義。

哈勃望遠鏡也是美國國家航空航天局（NASA）大型軌道天文台計劃（Great Observatories Program）的一部分。該計劃共包括4個太空望遠鏡，除哈勃望遠鏡外，還有康普頓伽馬射線望遠鏡（Compton Gamma-Ray Observatory）、錢德拉X射線望遠鏡（Chandra X-ray Observatory）和斯皮策太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）。

劃時代的韋伯望遠鏡

雖然哈勃望遠鏡為天文學家觀測宇宙提供了強有力的支持，但是哈勃望遠鏡的探測範圍主要是光譜中的可見光波段，而宇宙中的很多重要信息卻隱藏在其他波段中。例如1965年阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）通過研究微波信號發現了宇宙微波背景輻射（cosmic microwavebackground radiation），成為支持大爆炸理論最有力的證據之一。兩人也因此獲得了1978年諾貝爾物理學獎。

20世紀20年代，愛德溫·哈勃（Edwin Hubble）發現了星系的紅移-距離關係，促進了現代宇宙學的誕生。我們已經知道，宇宙在膨脹，而且離我們越遠的星系遠離我們的速度也越快。星體在遠離我們的時候，發出的光譜會向長波長方向移動，這就是紅移。因為距離太遠，宇宙中最古老的星系發出的可見光到達地球的時候已經成為紅外光。因此，探測紅外波段就有著十分重要的意義。正因為這個原因，天文學家正在建設有史以來最強大也是最昂貴的太空望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）。

說韋伯望遠鏡最昂貴，是因為它的造價超過88億美元，這是美國政府有史以來支持過的耗資最大的科學項目。說韋伯望遠鏡最強大，是因為它的探測能力超過以往所有的紅外望遠鏡。約翰·馬瑟（John Mather）因為發現了宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性而獲得了2006年的諾貝爾物理學獎，目前他也在參與韋伯望遠鏡項目。關於這台望遠鏡的探測能力，馬瑟在美國科學促進會（AAAS）的一次會議上打了這麼一個比方：「韋伯望遠鏡有能力探測到25萬英里外一隻大黃蜂發出的熱量，而這也是地月之間的距離」。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡想像圖（來源：NASA）

這台望遠鏡以 NASA 第二任局長詹姆斯·韋伯（James Webb）的名字命名。他於1961年至1968年間擔任 NASA 的負責人，正是在他的直接領導下，美國開始了登月計劃，迎來了空間科學發展的黃金時代。

詹姆斯·韋伯（JamesWebb，1906-1992）

在大型軌道天文台計劃中，哈勃望遠鏡的名氣最大，由它拍攝的很多太空美圖給人類以巨大的震撼，因此很多人會將韋伯望遠鏡同哈勃望遠鏡相提並論。但從原理上講，韋伯望遠鏡實際上是斯皮策望遠鏡的繼任者，因為兩台望遠鏡都是觀測紅外波段。只不過韋伯望遠鏡的性能要比斯皮策望遠鏡強大很多，前者的鏡面面積是後者的50倍，而解析度前者是後者的8倍。

鏡面面積是望遠鏡的一個關鍵指標，一般來說鏡面更大，收集信號的能力就更強。不過受火箭攜帶空間和發射重量等因素的限制，太空望遠鏡的鏡面面積要比地基望遠鏡小得多，即使是韋伯望遠鏡也不例外。如下圖所示，左下角是韋伯望遠鏡和哈勃望遠鏡，而右下角的「大傢伙」是歐洲南方天文台正在建設的歐洲極大望遠鏡（European Extremely Large Telescope），預計於2022年左右建成。韋伯望遠鏡主鏡的直徑是6.5米，而歐洲極大望遠鏡的主鏡直徑達到39米。

不同望遠鏡主鏡的比較（來源：Wikipedia）

歐洲極大望遠鏡想像圖（來源：Wikipedia）

韋伯望遠鏡的細節

韋伯望遠鏡預計於2018年在法屬蓋亞那發射升空。歐洲空間局（ESA）也會參與韋伯望遠鏡項目，該機構會提供搭載韋伯望遠鏡的阿麗亞娜5型火箭（Ariane5 rocket）及相關的配套發射服務。這型火箭是目前世界上運載能力最強的火箭，但因為內部空間有限，因此韋伯望遠鏡還是需要摺疊起來才能被容納其中。

阿麗亞娜5型火箭搭載韋伯望遠鏡示意圖（來源：NASA/ESA）

發射之後，韋伯望遠鏡需要用大概30天的時間來完成150萬千米的旅程，最終到達它在太空中的預定位置——第二拉格朗日點（L2）附近。拉格朗日點指的是在兩個大物體（太陽和地球）的引力系統中，存在一些點，小物體位於這些點時，可以相對於兩個大物體基本保持靜止。

在日地系統中，有5個拉格朗日點，其中L4和L5是穩定的點，另外3個則是亞穩定的。如果太空望遠鏡需要在相對地球穩定的位置進行長期觀察的話（韋伯望遠鏡的工作年限預計為5-10年），那麼拉格朗日點是一個很理想的位置。在此之前，威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）、赫歇爾太空望遠鏡（Herschel Space Observatory）和普朗克衛星（Planck satellite）都曾在L2附近停留。

5個拉格朗日點，韋伯望遠鏡位於L2（來源：NASA）

韋伯望遠鏡承載了科學界巨大的期待，將在多個領域開展深入的觀測。它作為一台強大的「時光機器」，將有能力回望大爆炸後2億年也就是大概135億年前宇宙的模樣，觀測早期恆星和星系的形成過程。同時，它的史無前例的紅外敏感度會幫助天文學家將最早最小的星系同今天巨大的螺旋星系和橢圓星系進行比較，有助於我們理解數十億年來星系如何聚合在一起。

韋伯望遠鏡相比哈勃望遠鏡還有一個優勢。哈勃望遠鏡主要觀測可見光波段，而可見光會被星際塵埃吸收，這樣可見光攜帶的信息就會丟失。與此相對，紅外光不會被吸收，韋伯望遠鏡就可以觀察星際塵埃。這對研究恆星的誕生尤其重要，因為年輕的恆星往往就是誕生在巨大的塵埃雲中。此外，韋伯望遠鏡將會對太陽系外行星的大氣成分進行研究，也許會在宇宙的其他角落發現生命的組成成分。

韋伯望遠鏡要以前所未有的精度對宇宙進行觀測，而要實現這個目標，必須配以前所未有的先進技術。舉個例子，韋伯望遠鏡需要在極低的溫度下工作，這樣就對冷卻技術提出了很高的要求。

望遠鏡上網球場大小的結構就是用來遮蔽太陽和地球發出的熱量。遮光板內部主體是真空，利用了真空絕佳的絕熱性質。真空外的部分是隔熱層，主要材料是聚醯亞胺（Kapton），表面鍍以高反射性的鋁並摻雜硅。紅外輻射在不同層之間反射，絕大部分熱量從隔熱板邊緣散出。

隔熱層共有5層，其中的4層用來滿足對望遠鏡冷卻的要求，而餘下的1層主要是為了在空間中的微小物體對其它4層隔熱層造成損壞時起到補充的作用。隔熱層的效果非常明顯：韋伯望遠鏡會在零下225℃的溫度下工作，而與此對照的是，望遠鏡的受熱面溫度會達到零上100℃。

韋伯望遠鏡的主鏡由18塊六邊形的的鏡面組成。直徑6.5米的主鏡賦予韋伯望遠鏡強大的探測能力，但如前文所述，鏡面需要摺疊起來才能裝入火箭。除尺寸外，韋伯望遠鏡另一個需要面對的問題是重量。在鏡面面積比哈勃望遠鏡有非常明顯增加的情況下，如果使用相同的材料，勢必會超出火箭的起飛重量。這一次，研究人員用鈹（beryllium）來製造鏡面。這種金屬很輕，並且可以在極低的溫度下不變形。鏡面鍍金，以獲得高紅外反射率。

研究人員正在檢查韋伯望遠鏡的鏡面（來源：NASA）

除了自身的結構和材料外，研究人員需要解決的另外一個問題是數據和指令的傳輸。目前計劃的運行模式是藉助深空網路（Deep Space Network）每天兩次上傳指令和下傳數據，這會通過位於澳大利亞、西班牙和美國加州的地面基站來完成。

韋伯望遠鏡每天會產生235GB的數據，這要求深空網路的帶寬超過10M/秒。為了達到如此高的傳輸速率，研究人員必須改變此前使用的傳輸頻率，並且對基礎設施進行整體升級。這將有助於建立一個新的傳輸標準，並服務於未來新的太空任務。

道阻且長的探索之路

任何偉大的成就都不會一蹴而就，太空探索當然也不例外。韋伯望遠鏡計劃的實施一波三折，2011年美國國會因為不斷增加的項目預算和不斷推遲的工程進展差一點就取消了該計劃。這和1993年美國國會終止建造超導超級對撞機（Superconducting Super Collider，SSC）似乎如出一轍。

那一次，美國高能物理學界失去了一個黃金機會，並目睹歐洲成為高能物理學研究新的高地。接下來的故事我們都耳熟能詳：歐洲核子研究中心（CERN）建設了大型強子對撞機（LHC），最終發現了希格斯玻色子（Higgs Boson），並且取得了一系列其他重要的發現，深刻改變了我們對粒子世界的認識。

幸好這一次韋伯望遠鏡沒有重蹈SSC的覆轍，它終於戰勝各種困難被保留下來。研究人員也在按照原定預算和日程緊鑼密鼓地推進項目，一切都朝著好的方西發展。與此同時，韋伯望遠鏡項目還成為新世紀美國政府大型工程組織的一個範本，正如20世紀的曼哈頓計劃和阿波羅計劃一樣。

需要值得注意的是，NASA的太空探索從來都不僅僅是研究人員在實驗室里研究科學那麼簡單，這些任務同時還承載著面向公眾傳播科學的使命。NASA一直有一個慣例，就是向兒童和青少年徵集火星車的名字。從好奇（Curiosity）、勇氣（Spirit）和機遇（Opportunity）這三個名字中，我們也許就可以感受到孩子們眼中的科學精神。

公眾會對遙不可及的太空探索產生濃厚的興趣，原因就在於這些探索觸碰到宇宙的起源和生命的意義這些人類最關注的核心問題。古羅馬著名哲學家西塞羅（Cicero）曾經說過：「如果一個人能對著天上的事物沉思，那麼在他面對人間事物時，其所言所思就會更加高尚。」這說明我們對星空的探索不僅拓展了我們對於物質世界的認識，而且也深刻地影響了我們的社會生活和精神世界。

韋伯望遠鏡，不僅是一台強大的科學儀器，更是人類永不滿足的好奇心的化身。現在，我們可以去期待韋伯望遠鏡順利發射升空，超越哈勃望遠鏡，成為一個新的傳奇。

不要走開，故事即將開始。

作者：鞠強

參考資料：

[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/

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