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发射花费百亿的韦伯望远镜 这些钱都花在了哪里?

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

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。

韦伯望远镜升空(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:

1.https://www.jwst.nasa.gov

2.https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

3.https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst