Question

耗100亿巨资的詹姆斯韦伯太空望远镜，它是一个怎样的科学仪器？

Answer 1

没错，是100亿，不是100亿人民币，是100亿美元。美国宇航局刚刚为圣诞节准备了价值 100 亿美元的太空望远镜。12 月 25 日美国东部从位于法属圭亚那库鲁的欧洲航天港发射了一枚阿丽亚娜 5 号火箭，搭载着备受期待的、拖延已久的詹姆斯·韦伯太空望远镜——以及全世界无数天文学家、天体物理学家和行星科学家的希望和梦想——进入最后的前沿。如果一切按计划进行，这台巨大的望远镜将在未来 5 到 10 年内观察宇宙中的第一批恒星和星系，嗅探附近外行星的大气层，并执行各种其他高调、高影响的工作。

太空望远镜翱翔在库鲁上空的多云天空中，并与阿丽亚娜太空公司制造的火箭分离。当韦伯漂浮并展开其太阳能电池阵列的实时视图到达地球时，在发射控制处爆发出欢呼声。“这是一次独一无二的”任务，这是最先进的技术，如果成功，它将揭开宇宙的秘密，这将是惊人的，如果不是几乎压倒性的，关于我们是谁，我们如何到达这里的理解的巨大飞跃，我们是什么以及这一切是如何演变的。考虑到天文台的重要性和复杂性，在韦伯身上强调这一点似乎尤为必要。韦伯是“迄今为止，美国宇航局做过的最复杂的事情”。这可以说是美国有史以来最大的纯科学项目。

韦伯总是会成为一个惊人的大而复杂的机器。它雄心勃勃的观测目标也决定了这一点。例如，望远镜必须保持其科学仪器极冷；它们发出的任何显着热辐射都会淹没韦伯所追求的微弱红外信号。天文台的目标工作温度约为- 220 摄氏度，航天器将通过双管齐下的策略实现这一目标。其中一个插脚是一个五层遮阳板，每一层都有一个网球场的大小。另一个是位置：韦伯不是前往地球轨道，而是前往距离我们星球 150 万公里的引力稳定点，称为日地拉格朗日点 2 (L2)。

L2 这条轨道的特别之处在于，它让望远镜在绕太阳运动时与地球保持一致。这使得卫星的大遮阳板能够保护望远镜免受太阳和地球（和月球）的光和热的影响。L2 太远了，宇航员无法参观，所以韦伯将独自在那里；类似哈勃的维修任务不是这个巨大的新望远镜计划的一部分。完全展开的遮阳板和主镜都太宽，无法放入阿丽亚娜 5 或任何其他当前运行的火箭的有效载荷整流罩或保护性“鼻锥”内。因此，这两个元素今天都以紧凑的配置发射，并将在韦伯留在太空期间展开。

由 18 个六边形部分组成的镜子，每个部分都由铍制成，并涂有一层薄薄的金。结合起来，这 18 块在地球上仅重 625 kg，——比哈勃的单片主镜轻约 360 kg，后者的集光面积仅为六分之一。（詹姆斯·韦伯的总质量约为 6,500 kg，在地球上为 14,300 磅，略高于哈勃的一半。）这面镜子捕捉到的光子将由四种科学仪器进行分析——近红外相机 (NIRCam)、近红外光谱仪 (NIRSpec)、中红外仪器 (MIRI) 和精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪 (FGS/NIRISS)。这四重奏将使韦伯能够深入了解整个时间和空间。如果一切按计划进行，该望远镜将探测到比没有望远镜的夜空中最暗的恒星还要暗 100 亿倍的宇宙物体。

据介绍这比哈勃望远镜所能探测到的任何东西都要暗 10 到 100 倍。韦伯的视力将非常敏锐，以至于它可以从 40 公里外看到一分钱大小的细节。开发所有这些先进的科学和工程技术需要花费大量的时间和金钱。但更多的是确保一旦韦伯进入太空，它就会按计划工作。所以必须在发射过程中将所有东西都进行振动和声学测试，然后我们必须把它放在真空室中，并确保一切都在工作温度下在真空中工作。

韦伯从事这项工作已超过三年。1989 年 9 月，一群天文学家在巴尔的摩太空望远镜科学研究所会面，讨论哈勃太空望远镜的可能继任者，这让球第一次出现。 哈勃甚至还没有发射，但大型太空望远镜的规划和建造需要很长时间，因此天文学界倾向于提前一两年思考。在这种特殊情况下，人们强烈希望尽量减少哈勃和“下一代太空望远镜”（NGST）之间长期观测差距的可能性，后者被非正式地称为。

哈勃于 1990 年 4 月成功发射到地球轨道，但很快就发现问题非常严重：望远镜返回的第一批图像令人失望地模糊。这种意外的发展对 NGST 的规划产生了寒蝉效应。太空行走的宇航员在 1993 年 12 月做了这样的工作，安装了校正光学器件和替换仪器，以补偿哈勃望远镜 7.9 英尺宽（2.4 米）主镜的缺陷。修复允许 NGST 工作再次向前推进——但三年多的计划时间已经丢失，或者至少受到了影响。

到 1990 年代中期，人们一致认为 NGST 应该研究非常早期的宇宙。那时哈勃已经提供了对宇宙的观察，因为它距离大爆炸（发生在 138 亿年前）仅 10 亿年。但天文学界想要更深入地 探索 ——理想情况下，一直回到最初的恒星和星系的时代，它们很可能是在宇宙存在的最初几亿年内形成的。

这一总体目标意味着应该优化新的望远镜以检测和分析红外线，我们认为红外线是热量——这是与哈勃的主要区别，哈勃主要在光学和紫外线 (UV) 波长下观察。毕竟，第一批恒星和星系的光学和紫外线辐射已经被宇宙持续膨胀拉伸得如此之多，以至于我们现在可以在更长的红外波长下看到它们。红外光比其更高能量的对应物传播得更好，更容易穿透遍布宇宙的尘埃和气体云。

新的天文台也必须很大，才能收集足够的深空光子进行研究。最初的概念要求主镜的宽度至少为 13.2 英尺 (4 m)。但当时的 NASA 局长 Daniel Goldin 鼓励 NGST 团队想得更大，一个 26.4 英尺宽（8 m）的镜子很快成为计划的一部分。NGST 的基本设计在 1996 年就基本到位。大约在那个时候，研究人员估计这个强大的天文台将耗资约 10 亿美元并最早于 2007 年发射。我们现在可以看到，这些数字非常乐观。

到 2010 年，预期价格飙升至 50 亿美元左右，目标发射时间已推迟到 2014 年，尽管该天文台已略有缩小。人们越来越担心这个任务的胃口越来越大——它于 2002 年 9 月正式命名，以阿波罗时代的美国宇航局局长的名字命名詹姆斯·韦伯——最终可能会让其他 NASA 天体物理学项目挨饿，2010 年《自然》杂志上的一篇名为“吞噬天文学的望远镜”的故事捕捉到了这种感觉。