2021年人类最浪漫的一件事，你知道吗？.良仓

2021年人类最浪漫的一件事

作者：良仓

12月25日20点20分，历时25年研发，100亿美金打造的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）终于升空！

往后的一个月里，JWST将飞过月球轨道，奔向离地球150万公里外，到达目的地第二拉格朗日点（L2）。

人类全新的冒险即将开始。

在一个物种的历史上，只有少数几次，因获得了技术、胆量和工具，而得以极大地推进对其起源的质疑。天文学家说，人类正处于这样一个时刻。

根据他们在过去几十年里告诉自己（以及我们其他人）的故事，第一批恒星闪烁的时候，宇宙大约有1亿年的历史。

它们剧烈燃烧，在壮观的超新星爆炸中迅速死亡，驱散了138亿年前被称为大爆炸的原始烟火遗留下来的灰暗气雾。从这些火花中产生了我们在宇宙中所关心的一切——漫长而持续的宇宙进化链，从星系和行星到微生物和我们人类的一切。

但这个故事是对的吗?

解决这个问题的工具就在手边。JWST，这个史上最大的太空望远镜将成为人类的“第二只眼”，探究神秘宇宙与人类文明的本质连接，旨在回答天文学最古老的问题：我们是如何到达这里的?

如果一切顺利，2022年夏天天文学家将开始以一种全新的视角观察宇宙。

“什么东西不早不晚地唤醒了宇宙，使它从虚无中开始诞生”

——

巴门尼德

“红移”与宇宙开端

今天，宇宙大爆炸理论已经成为常识，但是在该理论刚刚提出之后的很长一段时间，世界科学界对其“嗤之以鼻”。

当时的科学界受进化论推翻“上帝创造论”的哲学思潮影响，反对传统理论，普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的，不承认如《圣经》所言，宇宙是有一个起点的。包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。

爱因斯坦在总结引力场方程时，发现公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙，于是在该公式中又强加了一个“宇宙常数”，以维持静态宇宙的计算结果。

▲ 爱因斯坦在威尔逊山天文台胡克望远镜前验证“宇宙膨胀”观点，访问结束后，爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误，并去掉了场方程中的宇宙常数

但是自从20世纪20年代美国天文学家埃德温·哈勃观测到“红移”现象开始，有关“宇宙膨胀”的观点开始形成。

哈勃从1919年开始在加利福利亚的威尔逊山天文台工作。这是个许多方面都很出色的天文台：建在高山的顶峰，因此观察到的天象比其他地方清楚得多，而且它拥有当时世界上最大的望远镜——胡克望远镜。

▲ 哈勃在胡克望远镜前

▲ 1924年12月30日，哈勃发现Andromeda星云其实是个河外星系，银河系不是宇宙的唯一

哈勃的第一个发现是河外星系：许多恒星的聚集体，就像巨大漩涡缓慢地绕着它们中心旋转，其中的一些离我们的距离超过1亿光年。那时候世界还认为银河系就是宇宙的全部，但是哈勃发现，we are not alone。

随后，哈勃研究了从这些星系发出的光谱，发现了一些令人惊奇的东西。比如从太阳发出的光的光谱中有一些特定的黑线，它们说明这些波长的光被太阳大气层中的某些元素所吸收。哈勃发现，从遥远星系得到的光谱和我们自己星系的光谱有着同样的特征线，不同的是它们朝红色的一端偏移，这就是所谓的“红移”现象。

哈勃的解释是遥远的星系正在相对我们后退。因为虽然光的速度不会受发射源的速度所影响，但频率和波长会。从一个背离我们运动的光源发出的光的频率，比向着我们运动的光源发出的要低。频率越低，波长越长，而红光的波长比蓝光长。

所以，从一个后退的光源发出的光在光谱上要朝红色一端移动，而从一个前进的光源发出的光要朝蓝色一端移动。我们都经历过声学中类似的多普勒效应，比如，一辆摩托车在接近我们时发出的轰轰声在它超过我们并加速离开时变得深沉。

哈勃的下一个发现就是，越远的星系飞离我们的速度越快，因为光谱显示出越远的星系红移得越厉害。

星系正在彼此远离，一个正在膨胀的宇宙意味着什么呢？设想我们正在倒着观看一场速度加快了的宇宙演化的电影。我们看到的是星系走得越来越近。最终，所有的物质都会集中在一个很小的空间里。

现在，我们让电影顺着放，那么我们看到的便是一幅英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔称之为“大爆炸”的景象。（具有讽刺意味的是，“大爆炸”（The Big Bang）一词最初是1949年霍伊尔在BBC的一次广播节目中首先使用的，本意是嘲笑大爆炸模型，霍伊尔自己并不相信大爆炸，而是提出了一个宇宙的稳衡态理论取代它。）

因此，红移现象为宇宙有个开端提供了证据。对一些人来说，这就是创世的那一刻。

“上帝在创造这个世界之前在做什么？”

——

圣奥古斯丁

“正在为胆敢探查这些秘密的人准备地狱”

寻找宇宙诞生的“第一缕曙光”

望远镜向来被称作“时间机器”，因为它能让我们看到过去的宇宙是什么样子——光速虽快，但并不是无限快，光从别的物体到达我们需要一定时间。当我们看向宇宙深处，我们其实是在回顾过去的时间。

因此，我们通过望远镜所看到的不是它们“目前”的样子，而且它们很久以前的样子，是光从它那里发出时它的样子。日常生活中，这种延迟并不明显。因为光速高达300000千米/秒，比一架客机快百万倍。然而，宇宙是巨大的，天体间的距离很远。

▲ 1995年，哈勃望远镜拍摄了标志性的创世之柱，位于天鹰座星云的巨蛇座恒星形成区域，由尘埃和气体云柱组成，距离地球大约7000光年之遥。2015年重拍的照片再次引起轰动

月光到达我们眼前需要1.3秒，日光需要8.3分钟，半人马座比邻星（除太阳外离地球最近的恒星）的光需要4.2年，而仙女座星系的光到达我们需要250万年。

想象一下假如存在另一个有智慧生物的星球，光从地球到达那个星球需要20年，那么，当那个星球上的人用望远镜观看地球时，他们可以看到你，但看到的不会是现在的你，而会是20年前的你。是不是很神奇。

▲ Hubble Deep Field拍摄位置

自1990年发射至今，以天文学家哈勃名字命名的NASA哈勃太空望远镜为我们打开了一扇研究宇宙的窗口。

▲ Hubble Deep Field

1995年，哈勃望远镜连续10天凝视着北斗七星附近的一小块几乎空无一物的天空，收集了它所能收集到的所有光线，慢慢地形成了一幅图像——Hubble Deep Field（哈勃深空）——揭示了比以往任何时候都要暗淡的星系。其中一些发出的光经过了100亿年才到达我们这里。

它向我们展示了早期宇宙的一小部分，远在太阳诞生之前。

这真的是一张三维图片，一个宇宙核心的样本。结果是一个宝库：3000个大小不一、形状各异、无定形的星系在太空深处燃烧。星系的形状、大小和颜色各不相同。我们可以看到它们是如何随时间变化。通过哈勃深空，我们几乎回到了星系从大爆炸的混乱中出现的时刻。

▲ Hubble Ultra-Deep Field

在随后的几年里，哈勃望远镜与其他天文台合作，用长时间曝光和多种波长的高分辨率对天空中的小块区域进行了研究。提供了巨大的、深层星系集合的图片——包括一些存在于婴儿期宇宙不到10亿年的星系。

但是哈勃有它的局限性，它可观测到90-2500nm范围内的光（紫外线——近红外光），但不能观测到宇宙诞生最初5亿年的中红外波段。

由于宇宙膨胀，那些最早的恒星和星系正以如此之快的速度远离，以至于它们发出的光的波长被转换成更长的、更红的波长。越往回看宇宙，光线就越暗淡、越红。

130亿年前从一个新生星系发出的蓝光，在今天到达我们的时候，已经被拉伸成不可见的红外波长——热辐射。所以，如果想研究第一批恒星、黑洞和星系是如何形成的，我们需要红外望远镜。

这就是为什么需要JWST韦伯望远镜出场的原因了。韦伯覆盖范围更大，能观测到波长范围在600-28500nm的光线（可见光——中红外光）。

地面观测站可以使用红外波长，但要想进行优质的观测，望远镜必须被提升到地球温暖潮湿的大气层之上，因为大气层阻挡了大部分来自太空的红外辐射。

早在1989年9月，距离哈勃望远镜发射还有半年时间，NASA的天文学家们就已经开始探讨“下一代空间望远镜”。分析了2005年在高地球轨道上建造10米口径近红外望远镜或在月面建造16米口径望远镜的可行性。

哈勃发射后，科学家们发现哈勃的能力依然有限，1996年，由天文学家艾伦·德雷斯勒领导的委员会向NASA正式提议研制一个强大到足以看到宇宙中第一批恒星的红外空间望远镜，以弥补哈勃的不足，其设计指标是能够看到宇宙诞生的“第一缕曙光”，探索一个哈勃和之前所有望远镜都无法到达的宇宙历史领域。它的直径至少需要4米（哈勃望远镜的镜面直径只有2.4米），并且对红外辐射高度敏感，这将花费10亿美元。

NASA的负责人丹·戈尔丁担心4米的望远镜不够敏锐，无法探测到第一批恒星，决定：新的望远镜将有8米宽。这在功率、成本和开发时间方面都是一个巨大的飞跃。

“从那天起，我们很多人都知道这是个大麻烦。韦伯成为了一场完美风暴：它的成本越高，就越强调它不能失败，而这就使得它的成本更高”，德雷斯勒后来回忆说。

技术奇迹带来的“六个月焦虑”

作为有史以来送入太空的最大、最复杂的太空望远镜，韦伯望远镜是一个技术奇迹。

①

远离地球

首先，为了探测到微弱的红外辐射，且能不受大气层的观测影响，韦伯望远镜必须远离热源，远离干扰，必须逃离地球。哈勃望远镜虽然远在太空中，但也仅离地球表面大约575公里，可以说“紧挨”着地球。

逃离地球后还需要能用尽可能少的燃料，在错综复杂的引力环境中，保证尽可能稳定的运行。所以，科学家们将它的工作地点定在第二拉格朗日点（L2），这里太阳和地球两大引力源和谐共处，共同牵引附近的航天器围绕太阳稳定运动，航天器所需要的轨道维持成本极低。

这便带来了另一大挑战：这么远的距离，一旦它出了任何问题，人类是不可能去维修的。

▲ 哈勃望远镜前三年传回来的照片都是糊的，经过宇航员入太空校准后，才正常

哈勃望远镜维修过5次，时不时换换电池，改改相机，因为哈勃原本就被设计成的需要人工维护。

②

6.5米黄金镜

其次，红外辐射非常微弱，所以镜面需要非常大，以收集足够的光。韦伯的黄金主镜是它最显著的特征之一。这个6.5米的凹面镜由18个六边形的镜面组成，每个镜面的直径为1.32米。

主镜的材质是铍，铍质量轻但又够坚固，在低温中不会变形。表面涂有一层非常薄的金，以优化反射红外光的性能。黄金的平均厚度只有1000埃(100纳米)——只有700个原子那么厚，比人的头发还要细1000倍。

18面镜不止是大，既然不能人口维护，就只好通过设计让它们能自行校准。132个微型机械电机，能协调允许主镜部分对齐，就像它们是一个完美的单一镜面，提供了实现单一完美焦点的答案。

望远镜的体积增加了一倍，已经不能再装进任何现有的火箭。这意味着望远镜的主镜必须是可折叠的，而离地的距离又意味着必须能在太空中自行展开。难度系数越来越大。

③

防晒遮阳

韦伯另一个特征便是超大的风筝形状的遮阳板，为了探测到微弱的红外辐射，韦伯必须处于非常寒冷的环境——这样它自身的热量就不会干扰到探测到的红外光。因此有了遮阳板。

遮阳板使用的材质为Kapton，这是航天器中常用的，高耐热性，并在很大的温度范围内保持稳定。五层的遮阳板，最外层0.05毫米厚，而其他四层都是0.025毫米，所有的层大小和形状都略有不同，遮阳板的每一层都有铝涂层，离太阳最近的两层有一层额外的硅涂层。一层一层将热量阻挡、反射，以减少热量从一层到另一层的传递。这五层叠加在一起，可以减少100万倍的太阳照射。

遮阳板也将韦伯一分为二：面对太阳的遮阳板层温度将达到383开尔文，与此同时，镜子和科学仪器所在的“冷的一面”必须保持在低温温度，温度将在遮阳板的作用下降至36开尔文。

大小能与一个网球场抗衡的遮阳板，必须折叠着放进火箭，再在太空中展开，一个由马达、滑轮和电缆组成的复杂系统将需要驱动和扩展遮阳结构，并将五层膜层展开和拉伸成一个非常精确的配置。

韦伯的四个光学仪器中有三个能“看到”最红的可见光和近红外光(波长从0.6微米到5微米的光)。这些仪器配备的探测器，在37开尔文的环境下工作非常理想。

然而，韦伯的第四种光学仪器，中红外仪器（MIRI），探测的波长为5到28微米的中红外光。MIRI的探测器必须是一种不同的配方，需要在低于7开尔文的温度下才能正常工作。这种温度在韦伯上是不可能仅通过被动方式实现的，因此韦伯携带了一个“低温冷却器”，专门用于冷却MIRI的探测器。

为了实现冷却过程，不同于哈勃太空望远镜和典型的后院望远镜，韦伯采用的是开放设计。把望远镜和仪器包放在一个大的遮阳板后面，可以看到广阔的空间，而不是放在一个长管里，这样望远镜就可以很容易地散发热量，并被动地变得非常冷。

从建造到测试再到集成，工程师和科学家们开发了许多创新和最先进的技术，以确保韦伯在太空中的成功运行。

在太空中变形

在整个从起飞到正常工作的接下来的六个月过程中，韦伯望远镜可能会出现的故障有344种——这对于任何航天任务来说都是一个可怕的数字。这意味着如果某个金属支柱发生故障，或者一根电缆卡住，“我们就会得到一张价值100亿美元的废纸。”

鸽王“Just Wait Space Telescope”

第一块镜面

韦伯望远镜曾一度计划耗资50亿美元，并计划于2011年完工；最终，它花了将近100亿美元和25年的时间。成本超支和错误威胁着NASA科学预算中其他项目的资金。《自然》杂志称它为“吞噬天文学的望远镜”。十年前，美国国会曾考虑彻底取消该计划，政客们认为韦伯望远镜是毫无意义的烧钱无底洞。

最早的概念草图

给望远镜命名本身就是一项挑战。2002年，时任NASA局长的肖恩·奥基夫宣布，该仪器将以詹姆斯·韦伯的名字命名。韦伯一直是空间科学的倡导者，在阿波罗计划的关键日子里担任该机构的负责人。

一些天文学家感到失望，因为它没有像哈勃望远镜或爱因斯坦x射线天文台那样授予一位科学家荣誉。他们中的一些人对韦伯持批评态度，质疑他在杜鲁门政府清理国务院同性恋者的行动中所扮演的角色。改名的提议也不断被提出来。

所以，简称为JWST的韦伯太空望远镜也被他们戏称为“Just Wait Space Telescope”。

对于工程师和科学家们来说，延迟是意料之中的事，“我们必须发明10项新技术来建造这个望远镜，而这总是比人们想象的要困难。”

可折叠的主镜和遮阳板特别困难。2018年3月，在展开过程的预演中，遮阳板被撕破，项目再次受挫。当年4月，对遮阳板的进一步振动测试表明遮阳板产生了两倍于预期的振动，测试结束后发现1000颗螺丝中的20颗出现了松动。发射再一次延期。

韦伯望远镜最终于2021年10月18日安全运抵法属圭亚那库鲁航天中心，并将发射日期定为2021年12月18日。工作人员将望远镜连接到运载火箭适配器上时，一个夹箍突然意外松开，导致整个望远镜发生了不小的震动。NASA立即进行调查并进行额外的测试。

最后的最后，在排除了天气、通信等各种因素的影响后，瞄准12月25号20:20，圣诞节之日发射。

再次测量宇宙

今天是韦伯望远镜升空后的第五天，左边的遮阳板已经展开，接下来的25天，遮阳板将层层就位，主镜将展开，韦伯将完全变形完成并飞往L2。随后还需要5个月的时间来冷却和校准，预计2022年6月底才能真正投入使用。

因为质量的控制，韦伯并不能携带过多的燃料，所以燃料能坚持的时间大约只有10年。不过我们也可以保持乐观，毕竟十年后或许送机器人去给韦伯加油也是可能的。

通过韦伯望远镜，人类将有机会了解一些关于早期宇宙的真相，进一步更加清楚我们在宇宙中的位置；可以对行星大气中的化学物质和元素展开光谱分析，说不定能从中发现生命的迹象。

随着观测的精确度越来越高，问题将发生变化——我们将可以问，我们目前的标准宇宙学模型是否存在裂缝？是否有新的基础物理缺失？韦伯望远镜将有机会帮我们提出和回答一些我们意想不到的问题。

归根结底，未知本身便是宇宙最迷人的地方。

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