韦伯望远镜发射！单价比黄金贵20多倍，科学为何这么“烧钱”？

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

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