太空研究所 喬輝
台灣時間2021年12月25日20點20分，著名的詹姆士·韋伯太空望遠鏡在法屬圭亞那庫魯航天發射中心升空，接下來大約需要一個月的飛行，它將抵達距離地球150萬公里的日地拉格朗日L2點。
這台望遠鏡以美國宇航局第二任局長詹姆士·韋伯命名，以紀念他對阿波羅登月計劃做出的重要貢獻。
韋伯望遠鏡是目前發射的最大太空望遠鏡，口徑達到了6.5米，由18塊六邊形鍍金鏡片拚接而成。相比之下，哈勃望遠鏡的口徑為2.4米。望遠鏡的口徑越大，一方面能夠收集更多的光子，看到更暗弱的天體；另一方面能夠增加分辨率，看清更多的細節。
韋伯望遠鏡與哈勃望遠鏡最大的差異在於它們的工作波段不同。韋伯望遠鏡主要工作在近紅外和中紅外光區，以及少部分可見光區，而哈勃則主要工作在可見光區和紫外光區，以及少部分近紅外光區。
得益於大口徑的紅外觀測能力，韋伯望遠鏡有望觀測到早期宇宙中的恆星和星系，能夠加深我們對恆星和星系的形成以及演化的理解，甚至還能夠直接探測到系外行星的大氣成分，探索外星生命存在的跡象。
一、韋伯望遠鏡“鴿王”昵稱的由來
韋伯望遠鏡也因其研發周期長、耗資巨大而聞名於世，被戲稱為“鴿王”望遠鏡。這架望遠鏡的研發起始於1996年，本來計劃2007年發射，初始預算5億美元，然後就開始了“放鴿子”的漫漫征途。
二、韋伯望遠鏡是哈勃望遠鏡的繼任者？
韋伯望遠鏡和哈勃望遠鏡一樣，都是耗資巨大的“旗艦級”天體物理項目，從這個意義上講可以看作哈勃望遠鏡的繼任者。但從嚴格科學意義上講，兩者更多的是互補關係。
文章開頭我們提到，韋伯望遠鏡主要工作在近紅外和中紅外光區，以及少部分可見光區，而哈勃則主要工作在可見光區和紫外光區，以及少部分近紅外光區。
韋伯望遠鏡主要用於研究更加早期宇宙中恆星和星系的誕生過程。從科研目標上看，韋伯望遠鏡更可以看作另一台已退役了的紅外太空望遠鏡——斯必澤望遠鏡的繼任者。
哈勃望遠鏡1990年發射升空，迄今已度過32個春秋，雖然經歷過很多曲折，尤其是最近一段時間，計算機時常出現問題，但迄今仍然堅持為人類傳回精美的宇宙照片。不出意外的話，哈勃望遠鏡能夠工作至2030年代，甚至2040年代。
韋伯望遠鏡與哈勃望遠鏡運行的軌道不同，前者運行在距離地球外側150萬公里的拉格朗日L2點，後者在距離地球僅500公里的軌道上運行。這意味著哈勃望遠鏡出現問題，還能夠在軌維修，而韋伯望遠鏡一旦出現問題，按照目前人類的航天能力，還真愛莫能助。
韋伯望遠鏡運行的L2點是不穩定的，要靠消耗燃料動態維持，按照燃料的消耗速度，該望遠鏡的預期工作壽命為10年。估計到那時，哈勃望遠鏡仍健在。
三、為什麽要把韋伯冒險發射至距離地球150萬公里的深空？
上面我提到，哈勃望遠鏡其實離我們並不遠，每天在距地面500公里的上空飛行。1990年發射升空後就出現了大問題，由於鏡片磨製工藝的缺陷，變成了“近視眼”，成像非常模糊。2003年，NASA派遣了奮進號太空梭首次對哈勃進行了成功的修複，其後又進行了四次在軌維修任務。
韋伯望遠鏡運行在距離地球150萬公里的深空，相當於地球到月球距離的4倍！在這個距離上，一旦出現問題，依照目前人類的航天能力，是無法進行在軌修複的。問題來了，為什麽研發超過20多年，耗資接近100億美元的望遠鏡做成了“一錘子買賣”，被放置到那麽分離度？
回答這個問題，還是要從韋伯望遠鏡的工作原理和達成的科學目標上進行理解。
我們知道，太陽、地球和月球都向外散發出大量的熱異塵餘生，其中包含大量的紅外成分，韋伯望遠鏡主要工作在紅外波段，如果把韋伯望遠鏡放置在地球軌道上，就會受到太陽和地月系統強烈紅外異塵餘生的干擾，根本無法看清更加遙遠天體微弱的紅外異塵餘生。
因此，必須要讓韋伯望遠鏡遠離地月系統，然後再攜帶一件五層的碩大遮陽罩，對太陽光進行遮擋。在遮陽罩的遮擋下，鏡片的溫度可以低至零下223攝氏度，滿足對近紅外觀測的需求。中紅外光區的觀測還需要在製冷機的作用下進一步降溫。
四、日地拉格朗日L2是個什麽特殊的地方？
如果僅僅考慮把韋伯望遠鏡發射到遠離地球遙遠的深空，是不是任何深空點都行呢？當然不是了！經過多方考慮，最好是太陽和地球連線的外側，距離地球150萬公里的被稱為拉格朗日（L2）的地方，在這個地方，太陽和地球共同的引力牽引著韋伯望遠鏡繞太陽公轉，且公轉周期和地球公轉周期一致，這樣就能保持韋伯望遠鏡和地球之間距離的穩定，有利於測控和信息回傳。
拉格朗日是法國著名數學家和物理學家。學過微積分的朋友，應該都對拉格朗日不陌生。由於是他最早提出了兩個大天體周圍的幾個特殊的引力點，因此這些特殊的點以他的名字命名。
你可能猜到了，有拉格朗日L2，就有朗格朗日L1。沒錯，除了L1和L2，還有L3 、L4、L5。L1點位於太陽和地球連線之間，距離地球也是150萬公里，最適合放置太陽觀測望遠鏡。
五、韋伯望遠鏡的主要科學目標是啥？
據官方資料，韋伯望遠鏡主要有四大觀測目標，總結如下：
這些都是在紅外波段下能夠更加有效觀測的科學目標。
六、為什麽採用阿麗亞娜5型運載火箭發射？
阿麗亞娜5型運載火箭（Ariane 5）是歐空局研製的一款重型運載火箭，近地軌道的運載能力為20噸，僅次於我國長征五號火箭25噸的運載能力。地球同步轉移軌道的運載能力為10噸。重6噸的韋伯望遠鏡用這枚火箭發射比較匹配。
除了運載能力的要求，還要求火箭必須配備巨大的整流罩，能夠容納下巨大的望遠鏡（儘管發射時處於折疊狀態，一般的火箭整流罩也難以容納）。
最重要的一條要求是，火箭必須穩定可靠！阿麗亞娜5是一款久經考驗的老火箭，再發射7、8次就要退役了，接替它的將是阿麗亞娜6型火箭。
除了以上三個因素，還有一個因素是，歐空局作為韋伯望遠鏡的合作方之一，承擔望遠鏡的發射任務。
七、韋伯望遠鏡和我國貴州FAST望遠鏡有什麽區別？
身邊有朋友問到這個問題，這裡也簡單回答一下。這兩種望遠鏡的區別可真是太大了，比韋伯和哈勃的區別要大得多。
位於我國貴州的FAST望遠鏡，俗稱“天眼”望遠鏡，口徑達到了500米，但FAST望遠鏡是地基望遠鏡，主要在射電波段（波長在0.1米到4.3米）工作。由於大氣層對射電波段的透明度較好，這種類型的望遠鏡在地面上工作得就很好。
韋伯望遠鏡是紅外望遠鏡，地球大氣層中的水蒸氣和二氧化碳對紅外線的吸收比較強烈，因此要發射到太空中去觀測，複雜程度和造價指數升高。
不同類型的望遠鏡能夠看到不同景象的宇宙，發現不同的奧秘。大約半年後，韋伯望遠鏡有望傳回它的第一幅宇宙照片，讓我們一起期待！
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