坎坷之路，终抵群星 | 5Y View

五源资本·2022年7月13日

130亿年前，宇宙诞生初期，星系发出的光。

美东时间2022年7月12日，美国国家航空航天局（NASA）公布了“人类望远镜之王”、拖延14年、超支20倍、价值100亿美元的韦伯空间望远镜拍摄的首批五张照片，展示了前所未有的浩瀚无垠宇宙新图像。

图像涵盖深空星系团、致密星系群、弥漫星云以及系外行星等天文学最前沿的研究领域。五张照片分别是SMACS 0723星系团、船底座大星云、史蒂芬五重星系、南环星云，以及系外行星WASP-96b。

宇宙大爆炸约138亿年后，人类第一次如此遥远、清晰地看到宇宙深处。

文章来源于：后现代邮报（dreamingding）

SMACS 0723星系团。图源NASA

船底座大星云。图源NASA

史蒂芬五重星系。图源NASA

南环星云。图源NASA

WASP-96 b大气光谱。图源NASA

“韦伯的第一个深场”令人叹为观止，当时宇宙大爆炸后仅几亿年，星系刚形成，光线从第一颗恒星开始闪烁。星系团SMACS 0723距离地球46亿光年，但它后面的星光花了大约135亿年时间才到达我们身边，并最终被詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄到。

韦伯的这张照片让人类几乎回到起点，它对宇宙前所未有的观测将使科学家找到甚至还没有被问到的问题的答案。

据NASA局长Bill Nelson透露，仅在这张照片就有成千上万个星系，其中一些星系发出的光经过了130亿年才到达望远镜的镜面。

天文学家预计，韦伯将填补我们已知历史中的一个神秘空白宇宙——大爆炸后的第一个4亿年，并将确定可能存在外星生命的遥远世界。

哈勃使用其红外广角相机3拍摄的SMACS 072

这张由韦伯的近红外相机 (NIRCam)拍摄，不同波长的照片合成，拍摄了12.5个小时，哈勃拍摄的话需要数周时间。星系团SMACS 0723像一个透镜，放大了更加遥远的星系，韦伯可以聚焦遥远的星系，看清它们微小的结构。

韦伯望远镜共有四套科学仪器：近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、近红外相机（NIRCam）、近红外成像仪和无缝摄谱仪（NIRISS ），既对目标天体成像，还能将光分解成不同波长。

从1996年项目启动以来，韦伯望远镜的诞生，被誉为意义比肩几百年前伽利略用望远镜观察太空的事件。这是一段史诗般的旅程，一直各种原因延误。耗资100亿美元的韦伯于2021年12月25日发射升空，美国宇航局最大、最强大的太空科学望远镜，将探索宇宙从大爆炸到外星行星形成及以后的历史。

韦伯空间望远镜和哈勃空间望远镜的对比

詹姆斯韦伯太空望远镜基本参数

发射日期：2021 年 12 月 25 日

成本（发射时）：100 亿美元

轨道：JWST 将围绕第二个拉格朗日点 (L2) 绕太阳运行，距离地球近 100 万英里（150 万公里）

主镜尺寸：21.3 英尺（6.5 米）宽

遮阳板：69.5 英尺 x 46.5 英尺（22 米 x 12 米）

质量：14,300 磅（6,500 公斤）

韦伯太空望远镜一个月后进入围绕日地第二拉格朗日点运行的工作轨道，距离地球约150万公里。L2 是地球附近空间中与太阳相对的一个点；该轨道将使望远镜在绕太阳运行时与地球保持一致。它一直是其他几个太空望远镜的热门地点，包括赫歇尔太空望远镜和普朗克太空天文台。

韦伯太空望远镜将专注于四个主要领域：宇宙中的第一束光、早期宇宙中的星系组合、恒星和原行星系统的诞生以及行星（包括生命迹象）。在对宇宙全面观察的任务中，两个大目标尤其重要：一是拍摄135亿年前宇宙中最早的恒星，二是看看遥远的太阳系外行星们是否宜居。

韦伯太空望远镜是NASA、欧洲航天局 (ESA) 和加拿大航天局的国际合作产物。JWST涉及美国29个州和14个国家的300多所大学、组织和公司。韦伯的服役时间是5年，但目标是10年。

哈勃太空望远镜和韦伯太空望远镜各自镜子的比较（图源：Future/Adrian Mann）

空间望远镜“看到过去”的原理（图源：NASA/BBC）

韦伯太空望远镜延误简史

NASA于1996年立项开发韦伯望远镜，用于观测更遥远更深空的宇宙。

科学界作过形象比喻：哈勃太空望远镜能观测的是成年，青年的星系。而韦伯太空望远镜能观测到的是更遥远的幼儿，婴儿时期的星系。

JWST最初定于2007年试飞，天文学家的耐心就受到严峻考验。工程问题、政治犹豫和项目管理问题的混合都导致了无数的延误。

2011年7月，美国政界人士威胁要为JWST撤资。几个月磨难之后，飞船于2011年11月获救。2018年3月，JWST的发射因飞船技术问题而推迟。6月，一个独立的审查委员会建议将发布时间移至2021年3月。

2020年，新冠病毒大流行影响了JWST的进展。7月，NASA宣布2021年10月31日的新发射日期。2021年6月，阿丽亚娜5号运载火箭的问题将发射日期推迟到11月或可能2021年12月上旬。9月，美国宇航局和欧空局宣布再次推迟，该天文台尚未从其运出位于加利福尼亚州的原始位置到ESA在法属圭亚那库鲁的发射场。这两个机构宣布了12月18日的新发布日期，但恶劣的天气很快又阻止了。

最后，JWST于2021年12月25日美国东部标准时间上午7点20分（格林威治标准时间1220；库鲁当地时间上午9点20分）从欧空局位于法属圭亚那库鲁的发射场成功发射，搭载在阿丽亚娜5号运载火箭上。

费时25年研发，耗资100多亿美元，为探索宇宙起源终极奥秘而生、集人类多领域顶尖科技于一身的强大观测仪器的韦伯太空望远镜终于成功发射。

韦伯太空望远镜的使命，帮助科学家回答以下七大宇宙谜题：

1、宇宙中第一颗恒星什么时候、在哪里形成？

2、超大质量黑洞的起源是什么？

3、暗物质是冷的吗？

4、大质量恒星如何爆炸成超新星？

5、像地球这样的行星上的水是从哪里来的？

6、最有希望的系外行星可以孕育生命吗？

7、宇宙膨胀率是否打破了目前的宇宙学模型？

韦伯太空望远镜的蓝图ⒸNASA

宇宙一直扩张，距离我们越远的星系离开速度也越快，远处的星系颜色会向红色偏移，甚至进入红外波段，无法以肉眼直接观测。韦伯望远镜以红外观测能力见长，使我们能一览宇宙边缘星系。它们的光辉携带着宇宙几亿岁幼年时的啼哭，出现在我们屏幕上已是百亿年后。人类从来没有像今天这样接近终极哲理：

我们是谁？从哪里来？到哪里去？

往好的方面想，这也许意味着人类仍然保留着航天初心——探索科学，拓展认知和活动疆界。

期望初心就像幼小的火苗，在纷争的世界坚强燃烧下去，给人类以希望；就像百亿光年外的星系，看似渺小，实则一星一世界。

最后，推荐一篇关于韦伯天文望远镜长达17000字的详尽报道。它最初发表在2021年12月的Quanta Magazin上，作者是娜塔莉·沃尔乔弗（Natalie Wolchover）。她凭借这篇科学报道，荣膺2022年普利策释义性报道奖。

报道原文：https://www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203

以下翻译节选来自于果壳网主笔游识猷。

「要想回望宇宙的诞生，看见第一群恒星的星光，你必须先磨出一面和房屋一般大的镜子。它的表面必须光滑到如此的地步——如果镜子被放大到一整个大陆那么大，它的上面不会有超出脚踝高度的山峰或低谷。只有这么大这么平的镜子，才能收集并聚焦来自天空中最遥远星系的微弱光线……

即使有了这么特殊的镜子，依然远远不够。

没有人曾见过星系形成之时的样子，原因是几十亿年来，那些古老的星光穿越了不断膨胀的宇宙空间后，已经被大大拉长了。那些最遥远的恒星发出的紫外线和可见光到达这里时，波长被延伸了大约20倍，成了红外线。但红外线同样是原子振动时发出的光——我们称之为"热"。同样的红外线从我们的身体、大气和脚下的地面辐射出来。这些本地的热源，彻底淹没了远古恒星弱小的光芒。因此，要观测到那些远古恒星，望远镜的大镜子必须非常冷。它必须被发射到太空。

问题又来了。没有火箭能装下一面有房子那么大的镜子。于是，镜子必须被折叠起来。

为了被折叠，镜子首先必须被分割成由多个镜片组成的蜂窝阵列。

为了共同聚焦产生清晰的图像，镜片们在太空中展开后，必须排列到近乎完美的地步，这就需要精度极高的电机。这些电机能轻轻推动镜片，移动的距离可以精确到仅仅是病毒宽度的一半，以保证所有镜片安装到位。」

「Ball 航空航天公司提供的制动器能以10纳米的精度推动镜面，这个宽度仅为头发的万分之一。这些电机的工作原理是"弯曲"，即"将大的运动转化为小的运动"。」

「整个韦伯望远镜的重量，只有一个大型地面望远镜重量的2%左右。」

「镜子由铍制成，这种材料轻、结实、坚硬，呈粉末状，有毒，是一种令人头疼的东西，但也是唯一可行的东西。铍粉在俄亥俄州被压成块，然后在阿拉巴马州被切割。镜片上再覆一层黄金，因为黄金能极好地反射红外线。最后，加利福尼亚一家专门为这个项目而建造的工厂为镜面抛光。」

但这样依然还不够。

「即使被发射到到外太空，地球、月球和太阳仍然会向望远镜辐射出太多的热量，使它无法感知宇宙中最遥远结构的微弱闪烁。

除非，望远镜指向一个特定的点——第二拉格朗日点。在那个点，月球、地球和太阳都位于同一个方向，架设起一个网球场大小的巨幅遮阳罩，望远镜就可以同时挡住这三个天体。通过这样的方式，望远镜终于可以进入极度深寒的状态（-223℃），从而探测到宇宙黎明的微弱热量。

遮阳罩既是红外望远镜的唯一希望，也是它的致命弱点。

展开时又要足够大，重量又不能超出火箭的承重，遮阳罩只能由薄织物组成。工程师们心知，薄织物是"不确定的"，它的运动不可能被完全控制或预测。如果遮阳罩在展开时被钩破，整个望远镜就会变成一坨太空垃圾。」

「遮阳罩的材料，研究小组选了Kapton，这是一种光滑的银色塑料，看起来很像薯片袋的内层，厚度只有人类头发的直径。Kapton的撕裂风险不低，因此需要很多层作为冗余ーー研究小组决定安装五层。一个由吊臂、电缆和细绳所组成的系统，将把这五层遮阳罩都充分展开，分离并系紧。」

首席工程师迈克尔•门泽尔(Michael Menzel)形容这件事有多难，「如果是刚性的东西，比如一扇门，你安上一条铰链，就可以预测它的运动方式。小菜一碟。但现在给你的是一条软的毯子。在床上推一条毯子，然后试着预测它会变成什么形状？太可怕了。同样的事情也发生在绳子上——每一根拉紧遮阳罩的绳子，可以有一百万种不同的运动方式。更糟的是，在零重力状态下，这些东西可以跑到你不希望它去的地方。」

「大约在2004年，2位NASA工程师来到门泽尔的办公室，说他们有办法。其中一人拿起门泽尔桌上的一张纸，把它折成Z字形。遮阳罩可以折叠成许多这样的Z字形，也就是"手风琴式折叠"。门泽尔觉得这个办法行得通。

下一个问题是，如何保持遮阳罩处于手风琴折叠状态，直到做好准备时再展开。另一位工程师安迪找到了解决办法：107根固定针，可以像猫的爪子一样缩回。

固定针又带来了另一个棘手的问题：针会造成针孔。如果在展开后，所有五层Kapton上的针孔恰好排成一条直线，就会让阳光通过，加热望远镜的光学器件。

门泽尔说："这是个之前根本想不到的小细节，直到你开始做了才发现，天啊，五个针孔有可能排成一列，这事听起来不大，但把安迪搞到借酒浇愁。谢天谢地，他后来想通了。"安迪勤勤恳恳测试了许久，终于找出了一种方案，使得五层大小各异的Kapton遮阳罩不论怎么展开，上面的针孔都不会排成直线。」

……

以上就是那张彩色照片背后的一小部分故事。

此刻，韦伯望远镜静静漂浮在黑暗寒冷的太空中，它背后是太阳、月亮、和所有人类生活的暗淡蓝点。它未来带回的信息，将推进甚至颠覆人类对宇宙的理解。

坎坷之路，终抵群星。