韦伯望远镜有多贵？成本能造两艘航母，维护升级却不如巡天号方便

　　詹姆斯·韦伯太空望远镜今年12月就要发射了！这个消息轰动了天文界，作为有史以来最强大的太空望远镜，韦伯的身上寄托了无数人的期望，有可能帮人类解开宇宙起源之谜。不过大家仍带有一丝怀疑，毕竟＂鸽王之王＂的称号可不是浪得虚名的。
　　詹姆斯·韦伯太空望远镜
　　作为哈勃望远镜的继任者，韦伯望远镜项目在1996年就开始了，原计划在2007年发射，如今2007年出生的孩子已经上了初中，韦伯望远镜却还躺在地上，最新的发射时间是2021年12月18日，这个日期目前看来比较靠谱，NASA已经完成了对它的最后测试，再鸽一次的可能性已经大大减小。
　　由于一拖十几年，韦伯望远镜的成本暴涨，最初仅5亿美元的预算一改再改，据估计总共的花费将达到上百亿美元之巨！要知道一艘尼米兹级核动力航空母舰的造价才45亿美元，韦伯花掉的钱足以建造两艘核航母，实在是太夸张了！这样一个吞金巨兽，为什么NASA还是铁了心要上？它到底有什么诱惑力，与我国将来要发射的，与天宫空间站共轨运行的巡天号光学舱相比，孰优孰劣呢？
　　一台望远镜，两艘核航母，你选哪一个？
　　要论整体性能的话，韦伯望远镜当然无愧于世界最强空间天文台的称号，这么多钱并不是白烧的。不过在一项关键性能方面，它还真不如巡天号光学舱，而这很可能决定了这俩望远镜今后不同的命运。为什么要烧这么多钱建造韦伯望远镜？
　　韦伯望远镜是一台工作在可见光到中红外波段的太空望远镜，以NASA第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名。这个詹姆斯·韦伯在航天史上可是个大名鼎鼎的人物，他在1961至1968年执掌NASA，正是在这段时间，美国进行了著名的阿波罗登月计划，轰动了世界。韦伯于1992年去世，以他来命名这台世界最强的太空望远镜也挺合适。
　　NASA第二任局长詹姆斯·韦伯
　　在太空中工作的望远镜，不会受到大气层扰动和散射的干扰，视宁度极好，能够达到理论上的极限分辨率，有着得天独厚的优势。而最著名的太空望远镜就是哈勃望远镜，主镜直径达到2.4米，自1990年发射以来，哈勃望远镜已经在地球轨道上工作了31年，拍摄了无数壮观而珍贵的照片，令人大开眼界。
　　但哈勃望远镜的设计寿命只有15年，如今已经大大超期服役，而且当年设计的初衷是由航天飞机对其实施定期维护，并抬高轨道，现在美国的航天飞机已经全部退役，目前还没有哪个航天器能够实施对哈勃的维护，部件日益老化。今年6月13日，由于有效载荷计算机出现故障，哈勃竟然死机了一个多月，NASA费尽周折才找到原因，切换到了备用的电源控制模块，才重新恢复。
　　哈勃望远镜已工作31年
　　哈勃已垂垂老矣，撑不了太久了。另一个大型红外太空望远镜斯皮策也已经退役，剩下的几个都专注于某个特定的探测任务，无法替代哈勃望远镜这个＂大型空间天文台＂的作用。NASA也早就知道这一点，于1996年开始了詹姆斯·韦伯望远镜项目，希望用比哈勃更低的成本，再打造一个太空望远镜霸主，维持其在空间观测领域的地位。
　　与前任的哈勃相比，韦伯望远镜当然得青出于蓝而胜于蓝。由于观测波段不完全重叠，不好直接比较，但如果看了韦伯望远镜的结构、参数和运行方式，就能感觉到NASA在韦伯望远镜上寄托的野心，是真的打算用它观察到宇宙的源头。韦伯望远镜主镜为什么是金灿灿的六边形？
　　韦伯望远镜的形状与哈勃望远镜有很大的不同。哈勃是个很典型的反射式望远镜，有一个镜筒，主镜是一整块口径2.4米的反射镜，这已经相当巨大，加工难度极高。而韦伯却没有镜筒，直接能看到硕大的主反射镜。这枚主镜的等效口径为6.5米，是哈勃的2.7倍，而集光面积则有6.25倍。口径越大，理论上的分辨率越高，这意味着韦伯的分辨率将大大优于哈勃。
　　哈勃（左）与韦伯（右）主镜大小对比
　　这块巨大的主镜呈六边形，却并不是一整块，而是用18块六边形的小镜片拼起来的，其实6.5米的口径虽然大，但与那些著名的地面天文望远镜比也不算惊人，欧洲南方天文台VLT望远镜的4个主镜，每一个口径都是8米，而且是一整块镜片。为什么小了一号的韦伯反而要拿18块小镜子拼接呢？
　　最主要的原因是：韦伯望远镜是一个太空望远镜，不是在地面上搭起来就完事，而是要发射到太空里去，这就受到了火箭整流罩尺寸的限制。按照计划，望远镜将由欧洲的阿里安5型火箭发射，这种火箭的整流罩直径是5.4米，无论如何也塞不下6.5米的主镜，因此只好另辟蹊径：在发射时主镜折叠在整流罩内，在太空中再展开，这么一来，就只能用多块较小镜片来拼装了。
　　处于折叠状态的主镜
　　另外主镜的材质也和哈勃大不相同，没有用玻璃，而是用了金属铍，这些铍质镜片表面被高度抛光，粗糙度只有20纳米，并镀上了一层黄金膜，因此韦伯总是一副金光闪闪的形象。像哈勃等望远镜的主镜基材都是玻璃，为什么韦伯偏要用铍呢？原来，它的轨道和哈勃大不相同，是一台＂不走寻常路＂的望远镜，需要在接近绝对零度的环境下工作，而铍的热变形非常小，在如此低温下仍能维持精密的形状。问题是：为什么非要选择如此苛刻的温度环境呢？
　　铍质镀金的镜片
　　原来，韦伯望远镜的工作重点与哈勃不同，它虽然也能拍摄可见光波段的照片，但重点却是红外波段。红外线就是热辐射，波长比可见光更长。要想最大限度地提高红外探测能力，就要让光学系统和感光元件足够的冷。最冷的温度就是在绝对零度附近，是韦伯的理想工作状态。不过，要想让它一直保持如此低的温度可并不容易，NASA可是费了牛劲了。网球场大小的遮光板，看起来像一艘＂帆船＂
　　对于一台运行在太空中的红外望远镜来说，最大的干扰源有两个：一个是太阳，一个就是地球。太阳光芒万丈自不必说，地球虽然没那么亮，但却有着非常强的红外辐射能力，这些红外线一旦被主镜收集，就会干扰探测。另外红外线还能直接加热望远镜本身的结构，使其升温，同样会影响性能。
　　要想同时挡住太阳和地球（以及月亮）的光，只能用一个大镜筒来作为遮光罩。韦伯的主镜口径6.5米，这个镜筒不仅重量会十分惊人，其尺寸也根本无法塞进现有火箭的整流罩。即使能发射上去，镜筒本身会不会被阳光和红外辐射加热，也是个问题。
　　哈勃望远镜的大镜筒
　　于是，韦伯干脆抛弃了镜筒，主镜和第二反射镜等光学部件完全裸露在外，然后用一个巨大的遮光板挡住来自太阳、地球和月亮的光（包括红外线）。这个遮光板分为五层，层与层之间有间隙，展开后长度超过21米，宽度超过14米，大小相当于一个网球场。当可见光和红外线照射到第一层时，绝大部分被反射回去，少部分被材料吸收，并以红外辐射的形式照射到下一层，然后又会被下一层反射，这样一层一层衰减下来，传导到背阴面的热量相当少。
　　五层结构的遮光板
　　巨大的遮光板和裸露的主镜，使得韦伯像是一艘漂浮在太空中的＂帆船＂。经过计算，遮光板向阳的一面温度有110°C，经过五层遮光板后，将会降到仅有零下223°C，对于光学部件来说已经足够冷了，不过对传感器来说还不够。近红外观测使用的设备还会利用被动冷却系统进一步降温到零下234°C，中红外设备要求更苛刻，需要用液氦进一步降温到零下266°C。
　　韦伯的形状如同一艘帆船
　　不过，就算有这么一个又大又厉害的遮光板，如果韦伯望远镜像哈勃那样运行在近地轨道的话，仍然是白忙一场。以哈勃为例，大约1小时36分钟就会绕地球一圈，在此过程中太阳和地球的在天空中的位置不断变换。而望远镜又必须保持对准天空中的某一目标，就算遮光板再大也没法一直挡住太阳和地球，而且这里离地球太近，红外辐射的热效应过强，只能考虑换一个地方干活。为什么要在距地球150万公里处工作？
　　发射韦伯望远镜的阿里安5火箭运载能力强大，近地轨道运力达21吨，地球同步转移轨道的运力是10.5吨，而韦伯望远镜重6.2吨，比哈勃（11吨）要轻得多。因此火箭足以把韦伯望远镜打到更高更远的地方，也就是它的最终归宿：距离地球150万公里的第二拉格朗日点。只有在这里，韦伯的巨大遮光板才有用武之地，才能持续获得接近绝对零度的低温。为什么会这样呢？
　　阿里安5火箭
　　原来，这个第二拉格朗日点（简称L2），是个神奇的引力平衡点。拉格朗日点共有5个，如果一个航天器处在这5个点的任意一个上，它与太阳和地球的相对位置将维持不变，例如L2点就位于太阳和地球连线的外侧，韦伯望远镜在这个位置，会与地球以相同的周期（1年）绕太阳公转，并且一直处在太阳和地球的连线上，这里远离地球，红外干扰较小，甚至地球还能一直挡在太阳前面，遮住太阳的大部分光线。
　　此时如果我们站在韦伯望远镜上，会发现太阳和地球基本静止在某个方位，只要设置好遮光板的角度，就能一直挡住它们，让主镜、感光设备等永远处在阴影中。当然它无法做到完全静止在L2点，而是环绕L2点运动，并且需要使用燃料来维持住这个轨道。而离地球远还有其它好处，比如通讯信号不会被遮挡，太空垃圾也几乎没有，要不然花了上百亿美元的大家伙如果被太空碎片击中并报废，那损失可就大了。
　　在L2点，遮光板可完全挡住太阳、地球和月亮
　　总之，韦伯跑了这么远的路，费了这么大的劲，只为提高红外波段的探测能力，这样做到底有什么意义呢？像哈勃那样拍摄可见光波段的壮丽宇宙不好么？原来韦伯的志向可不止于此，它是真的想看到宇宙起源的早期阶段。重点放在红外波段，只为看清宇宙起源
　　按照大爆炸理论，我们这个宇宙大约诞生在138.2亿年前，假设能观察到一个距离在100亿光年处的天体，它的光需要经过100亿年才能到达地球附近，这就意味着我们看到的是它100亿年前的样子，那个时候宇宙刚刚诞生38.2亿年。哈勃望远镜捕捉到的最远星系距离地球约134亿光年，看到的就是宇宙诞生之后仅4.2亿光年时的样子，这已经是哈勃的能力极限了。
　　哈勃望远镜观察到的最远星系
　　如果还想看到宇宙更早期的景象，就必须使用比哈勃更强大的望远镜，不仅是口径大，分辨率高，还要能够更好的捕捉红外线。因为那些130多亿年前的天体发出的光，到达地球时大多已经变成了红外线！这就是著名的红移效应。由于宇宙在膨胀，遥远的星系正在离我们远去，它们发出的光的频率会向光谱的红端移动。根据哈勃定律，距离越远，退行速度越高，红移也就越大。要想更好的观察宇宙早期的天体，就必须提高红外波段的能力。
　　另外红外线波长较长，可以更好的穿透宇宙中的尘埃，要换成可见光可能已经被挡住了。因此，韦伯望远镜才如此注重红外波段，在付出巨大的努力后，据说它能看到大约136亿光年处的天体，获得宇宙诞生后2亿年左右的照片，有可能观察到宇宙大爆炸后形成的第一批星系，有可能验证、完善或者推翻现有的宇宙起源理论，那将是一件多么令人兴奋的事！
　　科学家希望用韦伯看到大爆炸后第一批星系
　　然而时至今日，韦伯望远镜带来的兴奋已经让人有点儿疲劳了，因为它竟然跳票了14年，并且获得了＂鸽王之王＂的称号，这是为什么呢？＂鸽王之王＂是怎样炼成的？
　　韦伯望远镜最初定下的发射日期是2007年，作为1996年开始的大科学项目，用11年的时间来完成还算是比较正常的，而且最开始的预算相当便宜：只有5亿美元，很有诱惑力。然而没过多久，人们就发现这5亿美元不过是个钓鱼的＂鱼饵＂。
　　当开发进入实质阶段后，NASA的专家们才发现当初的想法太幼稚了，要想实现这个宏伟的工程，需要克服的难题太多。例如：巨大的主镜和更加巨大的遮光板都要先折叠，发射到太空后再展开，各个镜面还要保持极高的位置精度，稍有差池就会功亏一篑。而且一旦发射就无法再维修，所有部件的可靠性都得相当高。
　　巨大的可折叠主镜
　　在超高的要求和难度下，很多设计不得不几经反复，甚至推倒重来，预定的发射日期也是一拖再拖，从2007年推到2009年，再到2010、2011、2013、2014……，直到最新确定的2021年12月18日，＂鸽王之王＂的桂冠也毫无悬念的落在了它的头上。在漫长的等待时间里，一些零部件还未使用就已经老化，堪称奇迹。
　　对于一个如此复杂而浩大的科学工程，最怕的就是拖期，一旦拖期，成本就会不可逷制的上涨。韦伯望远镜项目的成本可以说几近失控，从5亿美元涨到20多亿，再到40多亿、60多亿、80多亿……，现在NASA的最新估计是96.6亿美元，最终完成部署和观测任务后，相信超过百亿美元是轻而易举的事。而这台用一百亿美元砸出来的望远镜，能工作多长时间呢？理论上却只有10年！哈勃都工作了30多年，韦伯一下缩水这么厉害，难道是一代不如一代吗？
　　韦伯的设计寿命仅10年左右设计寿命仅10年，为何只能一锤子买卖？
　　韦伯望远镜的任务时长其实仅有5年半，在这之后是自由发挥的时间，但为了维持在第二拉格朗日点附近的轨道，它需要消耗燃料，所携带的燃料预计也就够用10年。如果状态比较好的话，有可能超过10年。大家可以简单算一下，100亿美元平摊到10年，相当于每秒钟花掉31.7美元，这个速度还真不见得比＂烧钱＂更慢，简直就是一台巨大的＂碎钞机＂。
　　难道NASA就心甘情愿地只让韦伯工作10年吗？那倒也不是，但却没有办法。为了实现超高的红外观测性能，就只能把它放到L2点，这里比月球轨道还要远得多。但轨道维持需要燃料，燃料耗尽后如果不能补加就无力回天了。虽然韦伯预留了与未来航天器的对接接口，但到现在为止，还没有哪个有人或无人航天器能够给它补加燃料和冷却液，也许未来的星舰可以。即使将来真能实现在轨加注燃料，实现起来的复杂性和难度也相当高，成本同样不忍直视。
　　吞金巨兽一旦发射就无法维护了
　　这就是韦伯望远镜最大的问题：可维护性极差，或者可以说没有，就算燃料没耗尽，如果其它部件出现问题也会玩完，基本上是一锤子的买卖。之前的哈勃就曾重点考虑过维护问题，计划由航天飞机对其进行定期维护，并且利用航天飞机的动力抬升轨道，防止其坠入大气层。问题是美国的航天飞机误入歧途，费用高昂，成本居然比一次性火箭和飞船还高得多，再加上出了两次机毁人亡的事故，航天飞机只得在2010年全部退役。
　　2009年哈勃进行了最后一次维护，之后便再未与任何航天器对接，进入了发挥余热的阶段。这就意味着哈勃上的关键部件一旦损坏，且无法在地面遥控下恢复的话，这台科学神器就寿终正寝了。哈勃的维护必须靠航天员人工完成，其实就算航天飞机不退役，或是用其它载人航天器执行维护，每次任务的成本也会令人肉痛，毕竟载人发射可不是闹着玩的。因此，哈勃和韦伯望远镜在可维护性这个关键问题上，解决的都不是那么好。那么有没有更好的选择呢？
　　使用航天飞机对哈勃进行维修
　　当然有！那就是我国未来的巡天号光学舱所采用的方式：与空间站共轨飞行。巡天号维护方便成本低，在这方面远胜韦伯
　　巡天号是我国载人空间站规划中的一部分，可以认为是一台类似于哈勃的太空望远镜，但使用离轴三反光学系统，视场范围达到哈勃的300倍，哈勃花一年拍的照片，巡天号一天就能拍完。当然这也与巡天号的使命有关：它是一台＂普查＂型望远镜，要像人口普查那样扫描大片天区，而不是哈勃这种只盯住一点的＂详查＂型望远镜。
　　不过，即便是普查，巡天号的分辨率也并没有比哈勃低多少，而且又能巡天又能对地观测，一机两用。它的主镜口径是2米，略小于哈勃，但也相当大了。凭心而论，巡天号的红外观测能力显然比不上韦伯，可见光方面的分辨率也未必能超过哈勃，但它却有一个杀手锏，是前两者望尘莫及的，那就是维护起来极为方便。
　　巡天号光学舱
　　巡天号在早期设计时是跟天宫空间站对接在一起的，后来出于各种考虑改成了共轨飞行。它和空间站一起飞行在距地面约400公里的同一轨道上，两者相距不远。平时进行观测时，巡天号可以自主改变姿态，对准目标。而当需要补加燃料、维护升级时，就会和空间站对接，由空间站上的航天员来进行各种操作。
　　由于空间站未来将会一直有人照料，航天员是现成的，并且还有定期前往空间站的货运飞船。这样在巡天号需要维护时，就不再需要每次都专门进行载人航天发射，只要将所需物资设备交给货运飞船带上去就行了，成本将大大降低，灵活性也更高。虽然巡天号的设计寿命也是有限的，但可以随时进行维修和设备升级，可以＂与时俱进＂，相信其实际的使用寿命将会大大超出预期。
　　与天宫空间站共轨飞行的巡天号（左下）
　　显然，巡天号这种运作方式，对于还没那么多钱可以烧的我国，是最科学最经济的。当然这一方式的前提是有一个空间站作后盾。相比之下，美国主导的国际空间站已经超期服役很久，预计在2028年退役，更悲观的说法是2024年，届时地球轨道上将只有我国的天宫这一个空间站，这才是巡天号采用共轨运行的底气所在。