造价100亿美元，号称天文学吞噬者，占据NASA整个天文学预算4分之一，相当于多半艘福特级航母，或者12枚东风-41洲际导弹。鸽了24年的鸽王之王-詹姆斯韦伯太空望远镜，最新的发射时间是12月25日早8点20分。它是每个天文学家、物理学家和天文学爱好者的心头肉。作为哈勃望远镜的继任者，迟迟不能升空很让人着急。

研制它碰到了哪些困难？为什么说它是人类工业技术和知识的结晶？它能让我们看到什么？今天让我们做一次全网最详解，说说这台人类工业和知识皇冠上的宝石！

宇宙诞生之初，随着各种原子粒子冷却下来。氢原子开始聚集，第一颗明亮的恒星诞生了。它的光穿过广袤无垠的135亿光年空间，最终到达目的地，人造探测器詹姆斯·韦伯望远镜上。由于人类的好奇心，更精彩的太空之旅即将开始。詹姆斯·韦伯望远镜能让我们第一次详细了解早期宇宙，人类和我们所知道的一切都是从中诞生的。

制造詹姆斯韦伯望远镜所需的技术组合，是目前人类历史上独一无二的。运载火箭、图像处理系统、机电系统、冷却系统、巨型镜片和遮阳帆。这些不仅是NASA工程师和科学家数十年工作的结晶，也是我们祖先数千年来沉淀知识的结晶。

起飞

这场NASA耗时24年100亿美元的豪赌，将搭乘欧空局的阿丽亚娜5型重型运载火箭发射。发射地在法属圭亚。这是一个位于地球赤道的理想太空港，能为韦伯望远镜提供额外的推动力。韦伯望远镜不像哈勃一样运行在570公里的轨道上，它将发射到距地球150万公里的第二拉格郎日点。

拉格郎日点

拉格郎日点又称平动点是空间中的特殊点，像卫星这样的小物体，可以在该点处相对于两大物体基本保持静止。发生这种情况是因为，来自两个物体的引力恰好等于物体与引力体一起移动所需的向心力。这就像太空中的小型停车位一样，可以让卫星使用最少的燃料停在一个相对稳定的位置。太阳和地球之间有5个拉格郎日点。L1点位于太阳和地球之间，可以实现非常稳定的对地球和对太阳的长期观测，是太阳望远镜、地球磁场和太阳风等科研类航天任务的理想位置。

我国的嫦娥五号轨道器、太阳和日球探测器（SOHO）、深空气候天文台（DSCOVR）和先进成分探测器（ACE）等任务都运行在这里。然而，韦伯望远镜的工作性质，要求它尽可能的避开来自太阳光的干扰。它是一台红外线望远镜。红外线即是热量，太阳发出的热量会使其传感器完全饱和，从而无法观测遥远的过去。

因此，把它发射到L2点，太阳、地球和月球将保持在相同的位置。由于L2点的独特物理学特性，望远镜大部分时间位于地球的阴影之中。

遮阳帆

为了正常运行，望远镜的暗面需要在负225摄氏度以下。如果没有办法阻挡来自太阳和地球的热量，望远镜将在83摄氏度下烧焦，这几乎可以等同于烧开水。为此，韦伯望远镜就像乌龟一样背上一个巨大的盾牌。“而制造这样的设备，是一个非常非常棘手的问题。”詹姆斯韦伯望远镜系统工程师迈克门泽尔说。“我们必须绘制每个热流图，以确保不会让任何热量泄漏到冷侧。热面承受了大约200,000瓦功率的阳光，我们只希望其中不到1瓦的能量通过望远镜，其余能量被动冷却。”正如迈克所说，防止热传递是一个非常棘手的问题。

热传递

热量可以通过三种方式传递。第一种，传导，从一个原子传递到另一个原子，并相互接触传导，就像空调热量沿着铜管传播一样。第二种，对流，热量从原子的物理运动中传递。第三种，辐射，热量通过电磁波传递。在真空的太空里对流是不可能的，因此只有传导和辐射作为传热的方法。

让我们看看韦伯望远镜如何解决这个问题？第一，材料选择。遮阳帆需要轻便、坚固、抗太阳辐射降解、在一定温度范围内尺寸稳定，并具有良好的反射性。这是一个很长的要求清单，科学家们选择Kapton膜（聚酰亚胺薄膜）作为遮阳帆的主要材料，它几乎满足所有条件。薄膜呈黄色透明，相对密度1.39～1.45，有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能，可在250～280℃空气中长期使用。Kapton遮阳帆的每一层都非常薄儿。最外层最厚，有0.05毫米，而接下来的4层只有它的一半0.025毫米厚。Kapton本身几乎是透明的，这对于遮阳帆来说是致命的缺陷。

还好Kapton可以很容易的涂上其他材料。每一层遮阳帆的两面都涂有100纳米厚的铝涂层，使其具有良好的反射性。这种反射特性能有效防止辐射传热，并将辐射反射回太空。每一层之间存在间隙，吸收的热量不容易通过传导或对流传递。

虽然每层之间是绝缘真空的，但热量仍然可以通过辐射在每一层之间传递。最外层获得热量并开始发出红外辐射，就像我们通过红外相机看到的那样。

为了防止这种情况发生，遮阳帆有一些巧妙的工程设计。这些层彼此成一定角度，并从最外层开始面积逐渐变小，以确保每层之间能反射辐射到太空中。通过5层遮阳帆的不断降温，从而使望远镜组件达到工作温度。

第1层还涂有50纳米厚的特殊硅涂层，使其呈现出十分少女的粉红色外观。使用硅是因为它具有高反射率。简单的说，材料不会保存热量，它会以热辐射的形式释放出大量吸收的能量，通过航天器的结构传导回太空。这种高发射率的硅涂层应用于第1层和第2层，这两个最热的层，以帮助它们尽快将热量从航天器传回太空，远离航天器。遮阳帆选择使用隔热罩能够保持冷热侧之间的巨大热差，但阻挡住热量只是建设韦伯望远镜众多挑战中的一项。

“这是更大的挑战之一，另外还需要设计一个部署系统来完成复杂可靠的展开。”为了适应阿丽亚娜5型火箭的整流罩，在发射之前必须折叠收起遮阳帆。科学家团队曾经因为一张遮阳帆在展开中破裂，将发射时间推迟了半年。在太空中部署东西是很困难的。这5层遮阳帆不仅面积大，达到网球场的大小，还十分轻薄。

就像把几根极细的绳子捋顺很困难，要控制这些几乎不确定的事情，需要付出很大努力和大量的反复试验。打开遮阳帆就像打开折叠的降落伞一样，成功与否只有打开时才知道。展开过程在发射后的几天开始，离地球不远。从相对简单的机制开始，部署太阳能电池板和通信天线。第7天才会展开遮阳帆，此时望远镜正向L2点滑行。在这个展开序列中目前尚有超过300个故障点。这个耗时24年耗资100亿美元的项目，有300次机会结束。　

而在展开遮阳帆的过程中，至少会涉及到140个展开机械装置、70个合页装置、400个滑轮、90根电线总长度达到了400米。此外还会用到八个马达以及其他各种各样的零件。而且，更重要的是所有的零件在展开的过程中都不能有任何偏差，它们需要按照正确的顺序在正确的时间打开，才能完成精确的完整形状。

整个过程需要3天时间，一旦完成，光学组件将展开并锁定到位，同时也会打开散热器来帮助望远镜散热。网球场大小的遮阳帆被微陨石撞击的可能性相当高。这只是一层薄薄的材料在张力下伸展开来，撞击造成的小撕裂能导致撕裂整个遮阳帆。

为了防止这种情况发生，防撕裂接缝已模制到遮阳罩中，这能阻止撕裂并将其限制在遮阳罩的小范围部分内，从而不会影响到整体结构的完整性。该薄膜还经过精心模制，带有波纹等形状，可根据需要使它变硬成形。这种被动冷却系统，能保证望远镜的暗面免受太阳热量的影响，使其敏感的热检测仪器保持在大约负233摄氏度。但是望远镜的重要部件红外传感器，需要更冷才能正常工作。

主动冷却器

它需要7开尔文，与零开尔文宇宙的绝对最低温度仅相差7度，为此我们需要主动冷却。韦伯望远镜包括了一个创新的低温冷却器。仅开发这种低温冷却器就面临巨大挑战，耗资1.5亿美元。它不仅能使韦伯获得低温，还必须消除振动。因为望远镜要聚焦数十亿光年外的物体时，望远镜中最微小的运动都会导致图像出现大量模糊。冷却系统是一个闭环系统，制冷剂被不断重复使用。我在NASA的网站上找到了对于低温冷却器的解释：预冷器具有一个两缸水平对置泵，使用脉冲管冷却氦气，脉冲管与储热器进行热交换。水平对置泵，带有平衡活塞，当重量相互平衡时会减少振动，然而其余的解释听起来像是来自科幻小说。

声波是压力波，与压力和温度成正比，更高的压力会产生更高的温度。我们可以创建驻波，其中波峰和波谷是固定的，我们可以在封闭的管子中做到这一点，其中管子的长度决定了谐振频率。

声波从封闭端反弹并产生压缩的高压区域，从而产生高温。但这并没有太大用处，该系统中的能量或温度保持着相对稳定的独立存在。但是如果我们能从每个循环中提取一些热量，情况就大不相同，甚至可以逐渐冷却整个系统。

通过堆栈来完成这一目标就很合适。堆栈是一种多孔材料，具有允许声波通过的气隙，放置在管子的冷热区域中间，再加上两根导管，一根连接到遮阳帆的中心方便散热，一根连接到红外传感器背面的铜板，以冷却它达到6.2开尔文的工作温度。这是对脉管制冷机实际工作的极端简化说明。脉冲管低温冷却器利用了一种极其简单且精确的物理现象，让韦伯的红外传感器工作。脉冲管低温冷却器通过消耗少量电能工作，韦伯携带的太阳能板的发电功率为2000瓦。

韦伯的镜片

韦伯望远镜最吸引人的部分是，由18个六边形镜片组成的6.5米主镜。它不像我们见过的任何望远镜，镜片主材是镀金的铍。镜片及其精密，以保证根据需要反射光线。它们不能弯曲，也不能随着温度变化翘曲，而且还需要非常轻巧以降低发射成本。

铍是一种轻质金属，原子量仅为4，比石英玻璃轻得多，同时它也是一种传统的航空镜面材料，抛光后的反射率达到95%。最重要的是在低温中，铍能保持形状不收缩。虽然强度远不及钢，但铍更硬，杨氏模量为300吉帕斯卡。虽然铍比钢更容易断裂，但在实际断裂之前更难变形，这是铍特有的尺寸稳定性。按磅计算，铍的硬度是钢的6倍，使其成为韦伯望远镜片的完美次表面材料，但它的红外反射远远不及金。

金虽不是可见光的最佳反射器，但它对红外线的反射却无人能及。还有它非常不活跃，很少和物质发生反应，这能保证镜面持久如新，不会变色失去光泽。为了反射红外线，科学家们在抛光的铍镜表面涂上一层仅为0.1微米的金涂层。这大约需要一个48.2克的金球。

韦伯的主镜面积达到25平方米，是哈勃镜面积的5.5倍。为什么需要这么大的镜子？这就像下雨接雨水一样。如果你想接更多的雨水，就要用口径更大的桶。越大的镜子收集到的光子越多，看的越远。所以我们要看到宇宙中最远最暗的天体，需要一个至少6米的光桶。

望远镜的定位

除此之外，韦伯的镜子是可编程的。工程师设计了一套能够自行调整焦点的系统。

18个独立镜片中，每一个都可以扭曲并调整。镜子的隔板背面装配有一个由背板、支柱和电机组成的系统。这个系统不仅可以调整镜子的旋转，而且通过这些支柱，可以改变镜子的曲率来调整镜子的焦点。一旦完成部署，望远镜将开始校准阶段，每个反射镜都会自行调整，直到18个镜片都与副镜对齐。

副镜是一个0.74米的凸面镜，有6个电机来调整它的位置。这些电机的操作会非常精确，可以在光波长的范围内逐步调整它们的位置，以人类头发大小的1/10000为增量逐渐对齐。这是一个极其精确的机电系统。镜片将光线聚焦到光学子系统内的卡塞格林焦点上。

主镜中的黑色突起可阻挡杂散光进入光圈。其中还有两面镜子，其中之一是精细转向镜，这是世界上最昂贵的图像稳定工具，它由精细导向系统控制。精细导向系统锁定在引导星上，其工作是使该星保持在视野的中心。每64毫秒，精细导向系统向姿势控制系统发送信号，以进行调整确保望远镜保持在目标上。

这种姿态控制是通过6个反作用轮的组合完成的，这些轮位于望远镜总线内部、隔热罩下方，是极其精细的转向轮。镜面会不断自我调整，以保证望远镜的目标在传感器上保持稳定，从而最大限度减少模糊。

韦伯望远镜还具有推进器，用于更大范围的位置调整。燃料为191升肼和95.5升四氧化二氮氧化剂。这些燃料为散布在望远镜周围的20个不同的火箭推进器提供动力。

总共有8个推进器模块，航天器总线的每个角落2个，以帮助反作用轮旋转望远镜指向要观测的星辰。其中16台发动机仅使用肼，这是一种单组元推进剂反应，其中肼通过催化剂，引起高度放热反应，将肼分解为氮气、氢气和氨。其它4个发动机用于控制轨道位置，需要更多功率。它们将混合肼和四氧化二氮作为燃料。这种燃料和氧化剂的混合物能发生自燃反应，生成氮气和水。能自燃说明它们不需要点火器，彼此互相接触就能点燃。肼是执行此类长期任务的绝佳选择。

接触及自燃，保证了反复点火的可靠性，杜绝了点火器发生故障的可能性。肼在室温下能长期稳定存放。这也是选择它作为韦伯望远镜火箭燃料的原因之一。

然而，正是因为燃料的原因，韦伯望远镜的使用寿命在10年左右。当燃料耗尽，韦伯无法在调整指向或是维护轨道时，它就相当于寿终正寝了。以人类目前的技术，还无法飞跃150万公里为它加油。然而，NASA在韦伯望远镜的设计之初已经设计好了加油接口。有传言称，NASA正在寻求开发为望远镜加油所需的技术。如果能在10年内完成，它将是能够为远离地球的航天器加油的机器人。预计又是一次令人兴奋的技术突破。

我们现在正处于新太空时代的前沿，詹姆斯韦伯望远镜是我们迈向太空之旅的里程碑。然而，这只是一个能逃离行星引力的物种，短暂时间里的众多里程碑之一。

我们的目光始终坚毅，目标亘古不变，那就是无垠的星辰大海！

5000字最详解！人类工业和知识皇冠上的明珠，詹姆斯·韦伯望远镜