詹姆斯·韦伯太空望远镜发射升空，此前已推迟 14 年，这一任务有哪些挑战？将为宇宙探索带来怎样的突破？
詹姆斯·韦伯太空望远镜发射升空前的挑战：一场技术与毅力的马拉松
JWST 的发射之所以推迟如此之久，并非偶然，而是其极端复杂性和前所未有的技术要求所致。以下是其中一些关键的挑战：
1. 极致的精密工程与制造：
巨大的可折叠镜面： JWST 的主镜直径达到 6.5 米，比哈勃望远镜的主镜（2.4 米）大得多，这是为了收集更多的光线，观察更微弱、更遥远的物体。然而，如此巨大的镜面无法一次性制造和发射，因此采用了创新的可折叠设计。18 块独立的六边形镀金铍镜段需要以纳米级的精度相互对齐，才能形成一个完美的抛物面。任何微小的偏差都可能导致图像模糊。
超低温运行环境： 为了探测红外线，JWST 必须在极低的温度下运行（主镜温度低于 223 摄氏度，仪器模块温度低于 233 摄氏度），以避免自身发出的红外辐射干扰观测。实现如此低的温度需要一套极其复杂的隔热和冷却系统，包括一个巨大的五层太阳盾，它比一个网球场还要大。太阳盾的展开过程本身就是一个极具挑战性的工程壮举，每层之间的精确分离和折叠都需要毫米级的控制。
先进的红外探测器： JWST 配备了四台高度敏感的科学仪器，能够探测不同波长的红外光。这些仪器是人类在红外天文学领域最尖端技术的结晶，其制造和校准过程极为复杂，对尘埃、振动等环境因素有着极其严苛的要求。
2. 集成与测试的复杂性：
“一次性”集成与测试： 由于 JWST 的镜面和太阳盾在发射后将无法维修或更换（它被放置在距离地球约 150 万公里的拉格朗日点 L2），因此所有组件的集成和测试必须在地面上一次性完成，并且确保万无一失。这涉及将各种精密部件组合，然后进行一系列模拟太空环境的测试，包括振动测试、声学测试和热真空测试。
软件与硬件的协同： 操作 JWST 需要极其复杂的软件系统来控制望远镜的指向、仪器的工作模式、数据采集和传输等。这些软件需要与硬件进行高度协同，并且在发射前进行反复的验证和调试。
3. 发射与部署的风险：
选择合适的运载火箭： JWST 使用的是欧洲航天局提供的阿丽亚娜 5 号运载火箭，这款火箭以其可靠性而闻名。然而，即便如此，火箭发射本身也存在固有的风险，任何意外都可能导致任务失败。
复杂的部署序列： 一旦进入太空，JWST 将经历一个极其复杂且精密的部署过程。从太阳盾的展开、主镜的展开和校准，到天线、散热器的部署，每一个步骤都必须精确无误。整个部署过程长达数周，其中任何一个环节出现问题，都可能导致望远镜无法正常工作。例如，太阳盾的每一层展开都需要数天时间，并涉及数百个独立的组件和动作。
4. 成本与管理：
巨额的预算与持续的超支： JWST 的开发历程漫长，成本也随着时间的推移不断攀升，最终预算超过 100 亿美元。管理如此庞大的预算和跨越多个机构（NASA、ESA、CSA）的合作项目，本身就是一项巨大的挑战。
应对技术难题与项目延期： 在开发过程中，工程师们遇到了无数意想不到的技术难题，解决这些难题需要时间和资源，从而导致了项目一次又一次的延期。这其中既有技术上的瓶颈，也有项目管理上的挑战。
5. 保密与公众期望：
高度的保密性： 为了确保任务的成功，许多关键的技术细节和测试结果在发射前都处于高度保密状态，这使得公众对项目的进展和挑战的了解有限。
巨大的公众期望： 作为哈勃的继承者，JWST 承载着全球科学界和公众对宇宙探索的巨大期望。这种期望也给项目团队带来了巨大的压力。
詹姆斯·韦伯太空望远镜为宇宙探索带来的突破：开启宇宙新纪元
尽管挑战重重，但 JWST 的成功发射和卓越表现，正在为宇宙探索带来前所未有的突破，开启了宇宙研究的新纪元：
1. 窥探宇宙最早期：观测宇宙的“黎明”
探测第一批恒星和星系： JWST 的主要目标之一是观测宇宙大爆炸后的第一个星系和恒星。这些早期天体发出的光经过宇宙的膨胀而发生红移，需要强大的红外能力才能捕捉到。JWST 的红外观测能力可以穿透宇宙尘埃，看到那些被遮蔽的早期宇宙景象，帮助我们理解宇宙是如何从一片黑暗走向光明的。
研究宇宙的再电离时期： 在宇宙早期，中性氢原子重新电离，这一时期对宇宙的演化至关重要。JWST 可以观测到支持这一过程的早期天体的光谱特征，从而深入了解宇宙再电离的细节。
2. 洞察系外行星的奥秘：搜寻生命的迹象
分析系外行星的大气层： JWST 能够以前所未有的精度分析系外行星（围绕其他恒星运行的行星）的大气层成分。通过光谱分析，可以识别出行星大气层中的水蒸气、甲烷、二氧化碳等分子，甚至可能探测到与生命活动相关的生物标志物（如氧气和臭氧的组合）。
研究宜居行星的形成与演化： JWST 的观测将帮助我们更好地理解行星系统的形成过程，以及在宇宙中存在多少可能支持生命存在的“宜居带”行星。这对于回答“我们在宇宙中是孤独的吗？”这一终极问题至关重要。
3. 揭示星系的形成与演化：追溯宇宙的成长史
观测宇宙中质量最大的星系形成初期： JWST 可以观测到距离我们最遥远（因此也是最早）的星系，了解它们是如何在宇宙早期形成的，以及它们是如何通过合并和相互作用而成长为我们今天看到的庞大结构。
研究黑洞的形成与成长： 许多星系的中心都存在超大质量黑洞，它们对星系的演化起着重要作用。JWST 可以观测到黑洞活动发出的红外辐射，帮助我们理解黑洞是如何形成、如何吞噬物质以及如何影响周围星系的。
4. 深化对太阳系的认知：探索我们熟悉的邻居
观测太阳系内的天体细节： JWST 不仅关注遥远的宇宙，也能对我们太阳系内的天体进行高分辨率的观测。例如，它可以研究冥王星上的大气层、小行星带的成分以及太阳系外围天体的特征。
研究行星形成初期的尘埃盘： JWST 可以观测到年轻恒星周围的尘埃盘，这是行星形成的“摇篮”。通过研究这些尘埃盘的成分和结构，我们可以更深入地了解地球和其他行星是如何诞生的。
5. 推动天文学理论的革新：挑战现有认知
检验宇宙学模型： JWST 的观测数据将为现有的宇宙学模型提供大量的验证和检验机会。如果观测结果与理论预测不符，将促使科学家们重新审视和修改现有的宇宙模型，甚至可能催生全新的理论。
发现新的天文现象： 任何一项新的、强大的天文观测工具都有可能发现我们从未预料到的天文现象。JWST 的前所未有的灵敏度和观测能力，极有可能带来一些颠覆性的发现，改写我们对宇宙的认知。
总而言之，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射升空，是人类在科技和探索领域取得的又一辉煌成就。它克服了无数技术难题，以其强大的能力，正在以前所未有的方式向我们展示宇宙的壮丽景象，回答着人类最古老的问题，并为未来的宇宙探索描绘着更加广阔的前景。它不仅仅是一个望远镜，更是人类好奇心和求知欲的延伸，是连接我们与宇宙未知世界的关键桥梁。
网友意见
请一定要成功啊！伟大的探索，一定又会让许多像我一样有些心灰意懒的人感受星空的召唤。这两年人类已经承受了太多太多，请一定要成功啊！
2021年12月25日，这注定是人类航天史的历史性时刻——在推迟发射14年后，被人们称为“鸽王”的詹姆斯·韦伯太空望远镜，终于搭乘欧空局阿里安5-ECA火箭成功升空，开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。
阿里安5-ECA火箭在水汽中起飞托起百亿美元太空望远镜的瞬间（图片来源：NASA）
迄今为止全世界最贵望远镜，究竟有多贵？
20个国家持续25年的投入和数万名科学家的倾力合作，造就了这个史上制造单价最贵的航天器。
有多贵？
目前，包括后续的运营和科研费用，詹姆斯·韦伯太空望远镜（以下简称为詹姆斯·韦伯）的总经费预计已超过100亿美元。
考虑到它的质量仅为6.5吨，也就意味着它的单价超过人民币10000元/克，是黄金单价的20余倍！
詹姆斯·韦伯看起来犹如一艘太空战舰
（图片来源：NASA）
詹姆斯·韦伯究竟有什么样的特殊使命，能让这么多国家倾注如此大的人力、物力、财力在它上面？它又能为人类带来什么呢？
贵有贵的道理——韦伯的观测能力远超前辈
宇宙是个充斥着各种电磁波和高能粒子的喧闹世界，那里既藏着遥远的历史，也昭示着人类乃至太阳系的未来。
对于望远镜来说，可见光到红外线频段是观测的重点，尤其是追踪宇宙大爆炸后残留的红外线，它们已经在宇宙中传播了138亿年，蕴藏着宇宙最初的奥秘。
然而，地球大气层、磁场、人类活动等因素，却使得地球成了一个典型的“信息茧房”。在广阔的电磁波频段中，只有极小一部分能顺利抵达地球表面并被望远镜观测到，其他的则几乎都被屏蔽在外。
从地球表面观测电磁波的频谱窗口透明度，真正的有效观测的窗口极小
（图片来源：维基百科）
解决这个问题的办法只有一个：把望远镜送出地球。
不同望远镜的使命也不同，这次被送出地球的詹姆斯·韦伯的观测波段主要集中于波长为0.6-28.3微米的橙色光到红外线频段，它的更大口径和一系列新技术带来了远超前任哈勃、施皮茨、赫歇尔等知名太空望远镜的观测能力。
例如，它能够看到更暗更古老的天体，甚至可以追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹，投入工作后将会极大提升人类红外天文学的相关研究。
前所未有的造价和划时代的意义，也让这个望远镜“荣幸”地以NASA（美国国家航空航天局）第二任局长詹姆斯·韦伯命名。詹姆斯·韦伯于1961-1968年在任，领导了NASA最辉煌的阶段。在这一时期，NASA曾获得空前绝后的资金支持，不仅推动了水星计划、双子座计划、阿波罗登月计划、先锋计划、水手/旅行者计划等一系列大型项目的开展，也为美国在航空航天领域的人才技术优势打下坚实基础。
造价100亿美元，这些钱都花在了哪里？
虽然100亿美元看起来很多，但实际上对于研制詹姆斯·韦伯这样的顶级望远镜的项目来说，并不能说非常宽裕，至少不是大家想象中的想怎么花就怎么花。没办法，前沿科学研究就是这么“烧钱”。
为了获得更好的观测能力，詹姆斯·韦伯在各项方面都进行了升级、更新，可以说每笔钱都用在了刀刃上。
1、更大口径的镜片
光学和红外望远镜的核心是镜片，其口径与观测能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望远镜，詹姆斯·韦伯的镜片口径从2.4米提升到了6.5米，集光面积也从4.5平方米攀升到了25.4平方米。
需要注意的是，口径增加带来的整体难度和造价提升并不是线性增长关系，光是这一项，就直接决定了詹姆斯·韦伯的预算远超哈勃。
人类、哈勃望远镜主镜和詹姆斯·韦伯主镜的大小对比
（图片来源：NASA）
镜片太大，几乎很难整体制造，不仅失败风险大、材料成本极高，也势必带来整体质量和体积的攀升，甚至远超人类现有火箭的发射能力。因此，詹姆斯·韦伯的镜面设计选择了拼接方案，由18面一模一样的六边形组成，发射时折叠起来，进入太空后再拼接到一起。
2、堪称“鬼斧神工”的镜面材料
詹姆斯·韦伯在制造、发射和工作时要面临截然不同的温度环境。特别是它的核心器件工作温度已非常接近绝对零度，对镜面材料的要求极高，因此需要同时具备抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、反射率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等特点。
而在精度要求上，最后镜片成型的制造加工精度要达到10纳米级别，这个要求所允许的误差相当于一张A4纸厚度的万分之一！而且在进入太空后，整体拼接和镜片姿态控制的精度也要达到同等水平。
综合上述要求，詹姆斯·韦伯的镜片主要材料选择了碱土金属铍，10纳米几乎就是几十个铍原子并排摆在一起的宽度，这是接近“鬼斧神工”级别的制造加工工艺要求。
3、一把屏蔽热量的“太阳伞”
远离地球，不代表能彻底摆脱地球的干扰，詹姆斯·韦伯还要面对太阳光和地球反射光/热辐射的干扰。为此，它需要背上一个大大的“太阳伞”来屏蔽热量，并使用主动冷却系统维持核心部件接近绝对零度的工作环境。
遮阳板总共有五层，都要精准打开
（图片来源：NASA）
按照设计要求，这把伞需要提供300摄氏度以上的温度屏蔽效果。这相当于一面是高温油炸，另一面却是冰天雪地。它的每一层材料主要由聚酰亚胺、硅膜和铝膜构成，首层最厚也仅为50微米，比人类头发丝直径还小，而中间层仅为25微米。
更大的难度还在后面——这把“太阳伞”如何顺利展开？
“太阳伞”每一层的面积约300平米，在发射时会被塞进火箭里剧烈振动，进入太空后要在激光引导下让100余个小型拖车带着逐层展开。难度可想而知，这无疑是人类历史上最厉害的一个遮阳板。
整体来看，詹姆斯·韦伯需要的都是最先进的科技，且各种研发都是“孤品”，它既没有备份，也不会量产，必须保证100%成功率。除此以外，还要经过一系列极高成本的测试和维护。这些因素累加在一起，让它的预算迅速攀升到了100亿美元级别。
詹姆斯·韦伯的官方海报
（图片来源：NASA）
看似“咕咕咕”，其实是必须一次成功的魄力
我们都知道，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。那詹姆斯·韦伯为什么不能像哈勃望远镜一样，在离地球近一些的地方工作呢？
这是因为地球和所有的物体一样都是热源，在源源不断往外反射阳光和辐射红外线，否则就会持续变暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空气分子和星际尘埃，对太空望远镜依然有一定影响。对于更加精密的詹姆斯·韦伯来说，这些影响尤其明显。所以，它必须想尽办法远离它的诞生地——地球。
然而，“逃离”地球后，并非就万事大吉了。进入错综纷繁的引力世界，航天器将受到太阳、地球、月球，乃至宇宙万物的引力影响，这使得它的轨道很难稳定下来。对于质量和体积都很大的望远镜而言，频繁地通过发动机工作维持轨道，不仅会导致发射时必须携带大量推进剂，也会极大地影响观测质量。
詹姆斯·韦伯太空望远镜位置示意图
（图片来源：NASA）
因此，必须要在上述要求中找到一个平衡。权衡利弊后，科学家们选择了日-地引力平衡的拉格朗日2点作为詹姆斯·韦伯的工作地点。这里距离地球150万公里（月球距离地球不过38万公里），远离了地球这个热源和灰尘源的干扰，温度也低达零下220摄氏度以下，可满足望远镜的整体工作温度环境要求。此外，在“日-地拉格朗日2点”，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。
不过，这给詹姆斯·韦伯带来了另一大挑战：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。这也意味着它变成了“一锤子买卖”，要求一次性成功，不能有任何失误。
这和哈勃望远镜形成了鲜明的对比。当年哈勃升空后出现了一系列问题，于是在1993-2009年间，人类通过五次极其昂贵的航天飞机任务不断维护并提升哈勃，才使得它获得了今天举世瞩目的成就。
如今，航天飞机已经彻底退役，人类也失去了在太空中维修大型航天器的能力。不过，即便航天飞机再次出山，也不可能前往“日-地拉格朗日2点”。毕竟，哈勃的工作地点距地球不过几百千米远，这和詹姆斯·韦伯与地球之间的150万千米的距离，是完全不同的概念。
某种程度上，这也是詹姆斯·韦伯鸽了又鸽的重要原因——一旦发射，承受不起一点失误。
为哈勃太空望远镜，NASA总共进行了六次航天飞机任务，付出了巨大代价
（图片来源：作者自制）
所以，对于负责火箭发射的欧空局而言，这次的成功毫无疑问是令人兴奋的，发射团队紧绷了数年的神经终于可以好好放松一下了。毕竟这是个100多亿美元的“一锤子买卖”，背后有着无数人几十年的努力付出。
在探索宇宙的路上，又迈出了新的一步
詹姆斯·韦伯的漫长研发史，是人类最顶级智慧的结晶。现在，它终于顺利升空前往遥远的目标工作地点。也许很多人会关注它的经费，感慨前沿科学研究的“烧钱”，但是，我们更应该认识到，我们为前沿科学付费，其实是在为人类上下求索的决心与梦想付费，如此看来，这价格也不能说是昂贵。
未来，詹姆斯·韦伯会给人类带来什么？可以预知的是，它能更容易探寻到宇宙的边界和最初的奥秘；无法预测的是，科学家们将在它的数据里获得何等惊人的发现。它是人类梦想向宇宙深处的又一次延伸，是人类好奇心与探索精神的承载，是人类在探索世界的路上迈出的新的一步。让我们祝福它远航的路上一切顺利，期待它带来新的发现与启迪！
参考资料：
2. https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
3. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst
出品：科普中国
制作：太空精酿
监制：中国科学院计算机网络信息中心
Bill 主任的总结。
这是人类最好的圣诞礼物。
太棒了！
镜面精度10纳米，拼接精度10纳米。经历升空、点火。光刻机也就7纳米啊！机械级的10纳米。
我在2000年前后，组里介绍过NASA起源计划，这个计划要在2050年之前搞清，宇宙起源，星系起源，生命起源等。要直接观测到生命起源....... 当时觉得很好看的计划。
Spitze 上天，开普勒上天后，那么多Exo!
如果人生有什么不遗憾的，那就是我选择了天文学。
今天这个节，真的太开心了。
我还给自己买了圣诞礼物，只要30人民币不到，也是非常好玩。
不是特斯拉生产的，肯定是垃圾
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