史上最大的紅外空間望遠鏡——韋布空間望遠鏡終於被發射升空。耗資超百億美元，研製二十五年，韋布究竟有什麼强大的本領，能够揭開什麼秘密？本文帶你瞭解韋布的特點，攜帶設備以及觀測目標。韋布將在其漫漫征程中，有力地深化人類對於宇宙的瞭解。
撰文|王善欽
法屬圭亞那當地時間2021年12月25日9點20分，即今天北京时間20點20分，舉世矚目的詹姆斯·韋布空間望遠鏡在法屬圭亞那空間中心成功搭乘阿麗亞娜5號（Ariane 5）運載火箭升空。[1]
阿麗亞娜火箭帶著韋布升空圖。Credit:NASA/ESA/CSA
詹姆斯·韋布空間望遠鏡為James Webb Space Telescope（JWST）的標準中文翻譯，以下我們簡稱其為“韋布”。韋布原名為“下一代空間望遠鏡”（NGST），為紀念詹姆斯·韋布（James E. Webb，1906-1992），相關機構於2002年將其改為現名。詹姆斯·韋布在1961-1968年擔任美國國家航空航太局（NASA）的第二任局長，在其任職期間推進了著名的阿波羅登月計畫。
從1996年形成概念到今天發射，韋布望遠鏡的論證與研發歷經25年時間，期間相關部門多次延后預計的發射時間，預算也隨之不斷瘋狂膨脹。到發射前，它耗資已超100億美元。經歷無數艱辛與苦難，韋布望遠鏡終於被發射升空，開始了它的漫漫征程。
在這篇短文中，我們將簡單介紹這個旗艦級的偉大望遠鏡的特點、儀器與觀測目標。
至今為止最大的紅外空間望遠鏡
韋布是至今為止最大的紅外空間望遠鏡，其口徑達到6.5米。作為對比，31年前升空的哈勃空間望遠鏡（簡稱“哈勃”）與預計在2025年升空的羅曼空間望遠鏡（簡稱“羅曼”）的口徑都是2.4米（參見《100個哈勃：羅曼空間望遠鏡有多强？》）；2009-2013年之間運行的赫歇爾空間望遠鏡（簡稱“赫歇爾”）的口徑則為3.5米。
成人身高、哈勃口徑與韋布口徑的比較。Credit:NASA
與哈勃、羅曼、赫歇爾不同的是，韋布的主鏡面是由18塊正六邊形鏡面拼接而成的：每塊鏡面的邊長約為0.75米，面積約為1.4平方米，18塊鏡面的總面積為25.4平方米，拼接成直徑約為6.5米的鏡面。
韋布的採光面積比哈勃的大得多，但其鏡片的重量卻只有哈勃的一半，這首先因為韋布的主鏡面用密度低的鈹製成——就是初中化學就要背誦的“氫氦鋰鈹硼”中的“鈹”。鈹的密度僅為水的密度的1.85倍。其次，韋布鏡坯背面大部分被挖空，這進一步降低了它的重量。
為了使鏡片能够反射光，大部分望遠鏡都需要在鏡片上鍍一層反射能力强的金屬。韋布上面鍍的是“土豪金”，這使得韋布的鏡面看上去金光閃閃。黃金可以反射99%的紅外線，且化學性質穩定。這些黃金塗層厚度僅為100納米（0.1微米），總質量僅48克。
韋布的主鏡面拼接塊之一，上面鍍著厚度只有100納米厚的黃金。這層黃金膜將增强鏡面的反射率。Credit:NASA/Drew Noel
韋布的鏡面不僅是拼接式的，還是折疊式的。因為它實在太大了，無法被裝入發射它的火箭的內部。為此，工程師們將其設計為折疊傘一樣的望遠鏡，先將主鏡面與其他所有構件儘量折疊，等它進入軌道之後，再通過地面遙控的管道，將這些構件逐一展開。
測試完畢之後被折疊起來的韋布。Credit:NASA/Chris Gunn
由於其龐大的體量，即使被折疊起來，韋布依然高達10.66米，寬達4.5米。阿麗亞娜5號火箭的整流罩的高度為17米，直徑為5.4米，二者完美匹配——這不奇怪，科學家和工程師們就是以“能够將韋布裝進這款火箭”為目標，來設計折疊方案的。
2021年12月23日，裝載韋布的阿麗亞娜5號火箭正在等待發射。Credit:NASA/Bill Ingalls
可以看到更暗的天體，但未必比哈勃更敏銳
由於韋布的採光面積比哈勃大得多，一樣的曝光時間內，韋布可以觀測到比哈勃觀測到的最暗的物體更暗10-100倍的天體。
韋布的大口徑除了會使它更快蒐集到遙遠、暗弱天體發出的光之外，還可以確保其有足够高的分辯率。因為望遠鏡的分辯率與口徑成正比，與接收的輻射的波長成反比。相比哈勃，韋布大部分時候觀測的波長比哈勃觀測極限波長更長，如果鏡面與哈勃一樣大，則其分辯率就低於哈勃的分辯率。
為了儘量克服這個問題，韋布的口徑必須更大。它的口徑是哈勃的大約3倍，當它觀測的波長為哈勃觀測波長的3倍時，二者的分辯率相等。不過，由於韋布的觀測波長極限是哈勃的的12倍，在大部分情况下，特別是中紅外範圍的情形下，韋布3倍大的口徑還是無法確保其分辯率可以與哈勃匹敵。所以韋布的官網在回答“韋布的分辯率會不會和哈勃一樣好？”這個問題時，先是給出肯定的回答，然後緊接著說“不過是在近紅外”[2]。
韋布鏡面上的黃金薄膜會很好地反射紅外線、紅色光與黃色光，但會吸收藍紫光與紫外線，這使韋布無法觀測近距離天體的藍紫光與紫外線。
不過，韋布可以觀測到足够遠的天體發出的藍紫光與紫外線，這是因為它們發出的可見光與紫外線在膨脹的宇宙中穿行足够遠後就被會被拉長為紅外線——紅移，從而被韋布探測到；這就等價於韋布探測到了這些遠距離天體的可見光與紫外線。
囙此，韋布觀測紅光與紅外線時是正常的眼，在觀測可見光與紫外線時則是一個遠視眼。
太空中的一錘子買賣
天體發出的電磁波輻射中的大部分紅外線在到達地球後會被地球大氣吸收，為了觀測到這些紅外輻射，紅外望遠鏡都必須發射到太空之中。
按照計畫，韋布升空後，將用一個月時間讓自己抵達距地球約150萬千米處。說得更精確一些，韋布將大致圍繞著日-地連線延長線上、距離地球150萬千米的一個點運動，同時與地球一起繞著太陽公轉。這個點被稱為“日-地系統的第二拉格朗日點”。
地球與太陽系統的5個拉格朗日點，分別用1、2、3、4、5表示。圖中黃色表示太陽，藍色表示地球。Credit:Anynobody
必須說明的是，第一、第二與第三拉格朗日點實際上是歐拉（Leonhard Euler，1707-1783）於1765年研究平面限制性三體運動期間發現的。1772年拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange，1736-1813）發現了第四與第五個精確解。然而，後人把這五個精確解對應的位置都打包算到拉格朗日頭上了（歐拉：老夫心裡苦，老夫有話說，不過還是算了……）。
Jakob Emanuel Handmann畫的歐拉畫像。Credit:wiki
一部分文章說韋布（以及其他很多探測器）位於日-地系統的第二拉格朗日點，這種說法容易引起一定的誤導作用，讓人以為它始終處於日-地延長線上一個固定的點。這是不可能的。因為在這個點處，陽光都被地球擋住，會導致作為電源的電池帆板無法接收到太陽光。更重要的是，第一、第二與第三拉格朗日點在動力學上是不穩定的。
為了克服這個問題，人們讓望遠鏡或探測器環繞著這個點做异常複雜的三維軌道運動[3]，既可以避免不穩定問題帶來的無序運動，還可以讓其接收到陽光。
韋布在第二拉格朗日點（L2）附近運動，同時與地球一起繞太陽運行。Credit:GSFC
從韋布升空後大約半小時開始，它將經歷幾百個操作與調試才可以進入正常運行狀態，整個過程需要大約6個月，這期間只要有一個操作出現障礙，都會導致韋布死亡。這也正是韋布不斷被延遲發射的原因之一：人們必須確保萬無一失，才可以獲得成功。
韋布展開構件的順序：在升空後大約半小時，太陽電池帆板先展開，然後進行一系列操作，按順序分別是通信天線展開，遮陽板展開，副鏡展開，主鏡面展開，最後整個望遠鏡到達第二拉格朗日點附近。Credit:NASA
折疊狀態的韋布搭載火箭升空後，整流罩打開的藝術想像圖。Credit: ESA–D. Ducros
乘坐太空梭的太空人對哈勃的幾次維修都轟動世界。對於韋布而言，這種驚險刺激的景觀不會出現，因為它與地球的距離實在太大了——是月球與地球的距離（38萬千米）的約4倍，是哈勃與地球的距離（570千米）的約2700倍。
哈勃、月球、韋布與地球的距離示意圖。圖中哈勃與月球的距離比值未按照實際比例。Credit:NASA
即使現在至未來十年還有太空梭或類似的航天器，要維修這麼遠的望遠鏡，也是不可能的，更何况世界上已經沒有太空梭或類似的載人航天器。如果韋布在運行期間出現無法通過遠程控制解决的故障，它就將死在冰冷的太空，成為有史以來最貴的太空垃圾。
韋布的主要儀器
韋布望遠鏡質量為6161.4千克（6.1614噸），裝在質量為350千克的飛船內。望遠鏡脫離火箭並通過所有調試後，將用精密導星感測器定向。天體發出的輻射被主鏡面反射後進入副鏡面，再進入各儀器。
韋布的儀器有四個：近紅外照相機（NIRCAM）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外設備（MIRI）與近紅外成像器與無縫光譜儀（NIRISS）。這些儀器的觀測波長可以分為三大類：0.6-0.78微米之間的黃光與紅光、0.78-3微米區域內的近紅外輻射與3-28微米之間的中紅外輻射。注意，中紅外的極限是50微米。（此處的近紅外與中紅外的範圍以ISO 20473標準為准。）
〇近紅外照相機的觀測波長範圍為0.6-5微米。作為對比，哈勃上面觀測波長最長的NICMOS的觀測極限是2.4微米。這個儀器實際上可以探測部分可見光與中紅外輻射。
〇近紅外光譜儀利用棱鏡或光栅分解天體發出的光，將其分解為光譜。光譜是判斷發光體的化學成分的覈心手段。
〇中紅外設備包括中紅外相機與中紅外光譜儀，觀測波長範圍為5-28微米，是哈勃觀測的極限波長的2到12倍。
〇近紅外成像器與無縫光譜儀用於觀測0.8-5微米範圍內的光譜。
遮陽傘與電冰箱
由於外來的熱量與儀器自身工作時發出的熱量，望遠鏡自身會有一定溫度，並發射出紅外線，這些强烈的紅外線會污染望遠鏡收集到的來自天體的紅外輻射。
為了封锁外來的熱量，韋布的設計者為它設計了一個五層的“遮陽傘”，每層的厚度約等於頭髮絲的直徑，寬度最大為4.57米，長度為16.19米，長與寬分別等於網球場的長與寬。
韋布的五層遮陽罩展開後的藝術想像圖。Credit:NASA
每經過一層“傘”，就有大部分入射的輻射被隔絕，經過五層遮擋，僅有約百萬分之一左右的輻射可以傳到望遠鏡附近。這樣的遮陽裝置可以使整個望遠鏡系統的溫度保持在絕對溫度50 K（約-223℃）以下，這個溫度對於韋布上的近紅外儀器是足够低的。
但是，這個溫度對於中紅外設備而言還是太高了，它要低到7 K（約-266℃）才可以探測中紅外輻射。為此，工程師們給它加了一個製冷機——壓縮製冷劑使其液化，液化製冷劑蒸發帶走熱量，降低溫度，但製冷劑自身幾乎都還在製冷機內部。聽上去它就像是一個電冰箱，其實它確實就是一個電冰箱。
地球上的電冰箱要知道自己有這麼一個高端的兄弟，都要激動哭了。必須提到的是，哈勃上的NICMOS一開始用的是液氮，後來也用了這種類型的製冷機。[4]
上面說過，為了減輕重量，韋布的鏡坯是用鈹製造的。實際上，鈹還有另外兩個特性：比鋼堅硬好幾倍；在不同溫度的環境切換時，變形非常小。後一種特性使韋布的主鏡面可以在常溫-低溫切換時只產生非常輕微的變形。
韋布的探測目標：從遠古宇宙、外星大氣到太陽系內天體
作為紅外望遠鏡，韋布探測的目標主要是一些天體發出的紅外輻射。這些紅外輻射有的是天體自身發出的紅外輻射；有的則本來是一些紫外線或可見光，但卻因為宇宙膨脹而成為紅外線。如果以觀測目標來分類，韋布將觀測以下對象：
〇一些正在形成的恒星系統。它們周圍還殘留著氣體與塵埃構成的冷盤，盤內正在形成類似於地球與木星的行星，它們發出的輻射集中於紅外波段。此前一些紅外望遠鏡已對這些冷盤進行過觀測。韋布的口徑更大，囙此在同樣的波段上具有更高的分辯率，可以觀測到這些冷盤的更多細節。
〇第一代恒星與第一代星系。根據理論研究，第一代恒星與星系形成於宇宙大爆炸之後大約1-2億年。它們與地球的距離極端遙遠，它們發出的光，哪怕一開始是紫外線與可見光，在特別漫長的宇宙穿行的過程中，都會被拉長為紅外線。
這些紅外線無法被哈勃上的紅外線相機探測到，但可以被韋布觀測到，因為韋布可以觀測的波長的上限是哈勃的12倍。正因為如此，人們常說韋布可以比哈勃看得更遠。
韋布可以觀測到紅移超過20左右（15到30之間）、年齡約為2億年（1到2.5億年）時的宇宙。作為對比，哈勃最遠觀測到紅移為10、年齡為4.8億年時的宇宙（見下圖）。這些觀測極限距離是由觀測波長决定的，不能通過擴大口徑來達到。
相比哈勃，韋布將看得更遠、更古老的宇宙。圖中從上到下分別表示1990年的地面望遠鏡、1995年的哈勃深場、2004年的哈勃超級深場、2010年的哈勃紅外超級深場與韋布將來可以探測到的宇宙的距離與時代。圖中的距離用紅移z表示，紅移越大，距離越遠。圖中時間以“十億年”與“百萬年”為組織。Credit:NASA
〇宇宙不同年齡時的各類星系。結合韋布對第一代星系的觀測，這將給出星系演化的完整圖景。
〇銀河系內、太陽系外的一些行星（系外行星）。韋布可以利用其上面的設備遮罩這些行星的母恒星發出的光，從而直接拍攝到它們。
對於一些會遮擋母恒星的行星，韋布還可以捕獲母恒星被行星大氣折射後的星光，天文學家可據此分析出行星大氣的化學成分，甚至確定行星上是否含有液態水，是否適合生物繁衍與進化——說人話，就是探索外星生命存在的可能性。
圍繞其他恒星運轉的系外行星的藝術想像圖。Credit:Wikipedia，Exoplanet詞條
〇太陽系內部的天體，尤其是一些位於海王星之外的暗淡而寒冷的矮行星與小行星。這些冷天體發出的光以紅外線為主，正適合韋布。這些天體是太陽系的活化石，深入瞭解它們的性質，有助於人類更深入瞭解太陽系的起源。
〇各種恒星或恒星殘骸爆炸後產生的爆發現象。這些爆炸會發出大量紅外線。特別是一些非常遠的Ia型超新星，它們發出的大部分紫外線與可見光將被膨脹的宇宙拉長為紅外線。韋布會配合大視場的羅曼望遠鏡觀測它們，從而為確定遠距離宇宙內的星系的距離、精確量測早期宇宙的演化模式提供重要依據。
韋布由NASA、歐洲航天局（ESA）與加拿大航天局聯合負責投資與研製。和哈勃一樣的是，韋布升空後由獨立於NASA的空間望遠鏡研究所管理。
按照計畫，韋布將在軌道上正常運行10年。即使不考慮此後每年可能上億美元的運營費用，此前耗資已超過100億美元的韋布，每一年觀測都是用10億美元燒出來的。
作為人類有史以來最昂貴、最强大的紅外空間望遠鏡，韋布必將為全人類認識早期宇宙、第一代星系、第一代恒星、宇宙演化、太陽系外的行星、太陽系內行星等重要課題做出突破性的貢獻。
我們祝願它一路順風，在未來的10年時間內為人類破解宇宙、外星球與太陽系起源等眾多秘密做出輝煌的貢獻。
韋布的官方海報。Credit:NASA/JPL-Caltech
注：
[1]法屬圭亞那空間中心位於南美洲東北海岸線的庫魯（Kourou），面向大西洋，緯度為北緯5度，非常有利於火箭發射，囙此素有“歐洲空港”之稱。
[2]原文為“but in the near infrared”，
見：https://www.jwst.nasa.gov/content/about/faqs/faq.html#sharp
[3]這樣的軌道被稱為“暈軌道”。此處“暈”本來與“日暈”、“月暈”這些概念有關，應該念作“運”；但是你要是感覺這概念讓你有點暈，那也不妨念為“暈倒”的暈。
[4]事實上，“（超）低溫液體直接蒸發降溫”代表了空間望遠鏡的另一種製冷模式。特別是液氦，它的直接蒸發，可以將儀器的溫度降到1-2 K甚至0.1 K左右，使儀器可觀測幾百微米甚至釐米波長的輻射。由於韋布不需要觀測那麼長的波長，囙此也不需要用這種模式製冷。