发射！经费从5亿一路涨到100亿，詹姆斯·韦伯望远镜终于出发了！
韦伯望远镜为什么耗费巨资，却又一鸽再鸽。
这个价值100亿美元的望远镜对人类有什么价值。
发射后如何展开工作。
日前，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。
Part.1
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
Part.2
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。
可是，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
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
Part.3
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。
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
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
Part.4
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
可是，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
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，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。
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
Part.5
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
参考资料:
出品:科普中国
图文制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心
本文首发于中国科普博览
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