人類(lèi)還需要三十年和百億美金才能發(fā)射下一個(gè)韋布嗎？| 巡天報(bào)告
詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡模型圖 | 圖源：NASA
2021年剛過(guò)去的圣誕節(jié)，經(jīng)歷三十多年建造、耗資百億美元的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡終于發(fā)射升空。六個(gè)月后，它將在遙遠(yuǎn)的軌道上部署完畢，開(kāi)始工作。
這臺(tái)開(kāi)啟新時(shí)代的太空望遠(yuǎn)鏡有哪些特別之處？天體物理學(xué)家蘇萌在這次的巡天報(bào)告中詳細(xì)解讀了韋布的設(shè)計(jì)，并暢想了韋布之后太空望遠(yuǎn)鏡和天文學(xué)的未來(lái)。（注：天文學(xué)名詞審定委員會(huì)采納詹姆斯·韋布作為James Webb的譯名，以與Webber的翻譯韋伯區(qū)別，因此以此譯名為準(zhǔn)。）
撰文 | 蘇萌
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宇宙大爆炸幾千萬(wàn)年后，進(jìn)入了人類(lèi)還知之甚少的再電離時(shí)代。第一代的早期恒星開(kāi)始形成，核聚變開(kāi)始在天體中發(fā)生，引力勢(shì)能開(kāi)始轉(zhuǎn)化為輻射。此時(shí)，大質(zhì)量的恒星們發(fā)出的高能量紫外光子暢通無(wú)阻地穿過(guò)廣袤的宇宙，在130多億年后到達(dá)地球附近——長(zhǎng)途跋涉后疲憊不堪的紫外光子已經(jīng) “紅移” 到中遠(yuǎn)紅外波段，落入到人類(lèi)最強(qiáng)大的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有辦法探測(cè)的波長(zhǎng)范圍。
然而，順利的話，只要幾個(gè)月之后，這些光子中的幸運(yùn)兒即將被人類(lèi)歷史上迄今為止最龐大、最復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡捕獲。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡就是詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡。
韋布望遠(yuǎn)鏡將給人類(lèi)帶來(lái)第一次對(duì)早期宇宙天體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)考察。要知道，我們自身和我們所知道的今天宇宙的一切都是從那個(gè)時(shí)代開(kāi)始誕生演化的，這樣的信息對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是多年來(lái)夢(mèng)寐以求的。韋布上的紅外探測(cè)器是地面望遠(yuǎn)鏡完全望塵莫及的，從系外行星、早期恒星形成、星系形成與演化研究的方方面面，未來(lái)十年韋布將一次又一次地改進(jìn)甚至顛覆天文學(xué)家今天的認(rèn)知。
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最龐大、最復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡：
后“韋布”時(shí)代到來(lái)
過(guò)去的三十年時(shí)間里，韋布望遠(yuǎn)鏡不斷消耗著美國(guó)航天局（NASA）有限的預(yù)算，總支出占到NASA對(duì)整個(gè)天體物理學(xué)科領(lǐng)域預(yù)算的四分之一左右，影響了其他中小型天文項(xiàng)目的開(kāi)展，一度有很大的風(fēng)險(xiǎn)被叫停。而為了讓這個(gè)過(guò)于昂貴又不允許犯錯(cuò)（too big to fail）的項(xiàng)目成功實(shí)施，NASA不得不投入更多的經(jīng)費(fèi)，直到達(dá)到98億美元的天價(jià)。
這場(chǎng)價(jià)值近100億美元的賭注終于在萬(wàn)眾矚目之下搭載著歐洲航天局（ESA）重型運(yùn)載火箭阿利亞娜五型火箭成功發(fā)射，奔向150萬(wàn)公里遠(yuǎn)的第二拉格朗日點(diǎn)。不知道全世界多少的天文學(xué)家、物理學(xué)家和天文愛(ài)好者們?cè)谑フQ節(jié)緊張而興奮地看著這枚火箭攜帶著代表人類(lèi)太空科技最前沿的杰作升空。
圖1 載著詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡的阿麗亞娜5型火箭整裝待發(fā) | 圖源：NASA/Bill Ingalls
不得不說(shuō)，韋布太空望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)近乎瘋狂的工程，建造它所需的技術(shù)組合毋庸置疑是超越時(shí)代的，包括探測(cè)器系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和遮陽(yáng)板等等。這不僅僅是數(shù)千位工程師和科學(xué)家?guī)资旯ぷ鞯慕Y(jié)果（據(jù)說(shuō)達(dá)到了4千萬(wàn)工時(shí)的工作量），某種意義上講，更是人類(lèi)科技發(fā)展數(shù)百年的材料、工程技術(shù)的反復(fù)沉淀，才讓這樣的項(xiàng)目在今天成為可能。韋布的發(fā)射是人類(lèi)探索宇宙歷史上的一個(gè)重要里程碑。
人們用80后，90后，00后這樣的時(shí)代標(biāo)簽來(lái)描述一代又一代的人。我覺(jué)得天文學(xué)研究某種意義上講也是這樣的。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是31年前（1990年4月）發(fā)射的，“90后” 或者說(shuō) “哈勃后” 是天文學(xué)發(fā)展的一個(gè)時(shí)代印記。今天韋布的發(fā)射應(yīng)該會(huì)開(kāi)啟一段新 “韋布后” 時(shí)代。作為一名天文學(xué)工作者，看著法屬圭亞那發(fā)射場(chǎng)的倒計(jì)時(shí)牌，內(nèi)心是無(wú)比激動(dòng)的。
圖2 韋布望遠(yuǎn)鏡升空 | 圖源：NASA/Bill Ingalls
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紅外，制冷，和遙遠(yuǎn)的L2
韋布望遠(yuǎn)鏡不像哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣，在距離地球數(shù)百公里的軌道上繞地球運(yùn)行，而是在相較數(shù)千倍遠(yuǎn)的日地第二拉格朗日點(diǎn)（L2）運(yùn)行，大約是地月距離的四倍之多。這是太陽(yáng)和地球的五個(gè)引力平衡點(diǎn)之一，太陽(yáng)和地球兩個(gè)物體的引力幾乎平衡于韋布望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)向心力，就像太空中的一個(gè)小停車(chē)位，允許衛(wèi)星坐在相對(duì)穩(wěn)定的位置，同時(shí)使用最少的燃料留在那里，相對(duì)容易地保持在一定空間范圍內(nèi)工作（并不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)區(qū)域）。
太陽(yáng)和地球之間有五個(gè)拉格朗日點(diǎn)。其中第一拉格朗日點(diǎn)（L1）位于太陽(yáng)和地球之間，適合太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星。然而，韋布望遠(yuǎn)鏡的工作性質(zhì)要求它盡可能避免來(lái)自太陽(yáng)的光線，因?yàn)樗且慌_(tái)紅外波段（0.6至28.3微米）的太空望遠(yuǎn)鏡。
大家都知道，熱的東西會(huì)產(chǎn)生紅外線，比如夜晚，我們可以通過(guò)紅外夜視儀看到發(fā)熱的東西。而從太陽(yáng)發(fā)出的熱量會(huì)讓韋布超級(jí)靈敏的傳感器瞬間飽和——這樣的探測(cè)器是設(shè)計(jì)用來(lái)觀察寒冷且遙遠(yuǎn)的宇宙天體的。由于L2獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，韋布望遠(yuǎn)鏡背對(duì)太陽(yáng)、地球和月亮。同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的暗面需要在零下233攝氏度下工作，如果沒(méi)有辦法阻擋來(lái)自太陽(yáng)和地球的熱量，那么望遠(yuǎn)鏡會(huì)在83攝氏度燒焦，這樣的溫度幾乎足以燒開(kāi)水。所以需要一個(gè)強(qiáng)大的隔熱設(shè)計(jì)——韋布望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要特征就是背上背著一個(gè)巨大的 “護(hù)盾”，像烏龜一樣，或者更準(zhǔn)確的說(shuō)，是一個(gè)史上最強(qiáng)的 “遮陽(yáng)傘”。
制造這樣一個(gè)遮陽(yáng)傘實(shí)際上是一個(gè)非常非常棘手的問(wèn)題。按照設(shè)計(jì)要求，穿過(guò)遮陽(yáng)傘泄露到韋布探測(cè)器的熱功率不能超過(guò)1瓦。
我們知道，熱可以通過(guò)三種方式傳遞。真空中沒(méi)有熱對(duì)流，那就只剩下熱傳導(dǎo)和熱輻射作為傳熱的手段。讓我們看看韋布望遠(yuǎn)鏡是如何管理熱量的：首先遮陽(yáng)傘必須足夠輕且抗太陽(yáng)輻射降解，而且在一定溫度范圍內(nèi)能保持尺寸穩(wěn)定并具有反射性。韋布有五層遮陽(yáng)傘，而每一層都非常薄。第一層，即離太陽(yáng)最近的一層最厚，為0.05毫米，而接下來(lái)的四層僅為0.02毫米。每一層同時(shí)涂有100納米厚的鋁涂層，以增強(qiáng)反射率。韋布利用每層之間高度絕緣的真空空隙阻止輻射熱傳導(dǎo)。每一層之間的空隙變成輻射向外泄露的空間，確保每一層逐漸降低溫度，從而保護(hù)儀器艙中的關(guān)鍵部件。
阻擋熱量只是挑戰(zhàn)之一。為了裝在阿利亞娜五型火箭的整流罩里，韋布的遮陽(yáng)傘在發(fā)射前必須折疊 “瘦身”，因此必須設(shè)計(jì)一些難以置信的復(fù)雜力學(xué)結(jié)構(gòu)，來(lái)確保它正確展開(kāi)。
膜和電纜這些柔性結(jié)構(gòu)的部署，在動(dòng)力學(xué)上幾乎無(wú)法計(jì)算，控制這些幾乎不確定的過(guò)程需要大量的工程實(shí)驗(yàn)和試錯(cuò)。你可以想象，輕薄的遮陽(yáng)傘就像我們熟悉的降落傘。你知道降落傘會(huì)起作用，但它起作用的前提是你要在使用前很好地折疊它。但同時(shí)，只有當(dāng)你真的使用它的時(shí)候，你才知道它是否正確地折疊了。
韋布遮陽(yáng)傘的展開(kāi)過(guò)程將在發(fā)射后幾天開(kāi)始。在太陽(yáng)能帆板和通訊天線等常規(guī)組件展開(kāi)后，真正令人神經(jīng)緊張的部署過(guò)程將從第七天開(kāi)始——此時(shí)的韋布正在向L2飛行途中。在這個(gè)展開(kāi)的序列中，有超過(guò)三百個(gè)單點(diǎn)故障的可能性——100億美元的三百次機(jī)會(huì)。
遮陽(yáng)傘的107個(gè)固定點(diǎn)要按次序依次釋放，讓滑輪電機(jī)、電纜軸承和彈簧系統(tǒng)卷起遮陽(yáng)傘，直到精確部署至完整的形狀，整個(gè)過(guò)程將需要三天時(shí)間。一旦完成，光學(xué)組件將展開(kāi)到位并鎖定。
網(wǎng)球場(chǎng)大小的遮陽(yáng)傘被微隕石擊中的可能性相當(dāng)高。因?yàn)檫@是一層一層在張力下伸展的薄薄的塑料，撞擊造成的小撕裂可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)遮陽(yáng)傘撕裂。為了防止這種情況發(fā)生，纖維膠帶被縫合進(jìn)遮陽(yáng)傘，將可能的損害限制在局部，而不破壞結(jié)構(gòu)整體的完整性。
遮陽(yáng)傘的薄膜還經(jīng)過(guò)精心模制，帶有波紋和其他形狀，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和屏蔽功能。這種被動(dòng)制冷的方式非常有幫助。確保望遠(yuǎn)鏡的黑暗面有效屏蔽太陽(yáng)的熱量，保持其敏感的熱探測(cè)儀器在40開(kāi)爾文，也就是大約零下233攝氏度。
韋布的中紅外探測(cè)儀器則需要更冷的環(huán)境才能有效的工作——7開(kāi)爾文。為此，韋布在被動(dòng)制冷的基礎(chǔ)上還需要主動(dòng)冷卻。韋布望遠(yuǎn)鏡帶有一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的低溫冷卻器，花費(fèi)了一億五千萬(wàn)美元。冷卻器需要盡量減少功耗，因?yàn)轫f布只有由太陽(yáng)能電池陣列提供的兩千瓦供電能力，實(shí)現(xiàn)超低溫環(huán)境的同時(shí)，還需要避免各種運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)產(chǎn)生的影響，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡哪怕最微小的抖動(dòng)都可能導(dǎo)致最后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間曝光的圖像變得模糊。
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精密可調(diào)節(jié)的大金鏡子
韋布直徑6.5米的金光燦燦的主鏡大概是望遠(yuǎn)鏡最引人注目的部分，它由十八個(gè)六邊形模塊組成。我敢打賭它跟你見(jiàn)過(guò)的任何望遠(yuǎn)鏡的鏡子都不一樣，那么它為什么被設(shè)計(jì)成這樣呢？
韋布的主鏡需要在L2點(diǎn)運(yùn)行時(shí)保持極其精確的形狀，不能隨著溫度變化劇烈變形，而且質(zhì)量要非常輕才能滿足發(fā)射到L2點(diǎn)的需要。這塊光鮮亮麗的主鏡是鍍金的鈹結(jié)構(gòu)。鈹是一種獨(dú)特且昂貴的材料，它是一種輕質(zhì)金屬，原子序數(shù)是四，它比傳統(tǒng)的鏡面材料石英玻璃輕得多。鈹更有能力應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境，保持鏡面的形狀，不會(huì)收縮得太厲害。雖然鈹比鋼更容易斷裂，但在實(shí)際斷裂之前更難變形，鈹?shù)挠捕仁卿摰牧?，使它成為完美主鏡結(jié)構(gòu)的建造材料。
然而，鈹并不反光，因此我們需要給鏡面鍍金。黃金不是可見(jiàn)光的最佳反射器，在現(xiàn)實(shí)生活中尤其不善于反射可見(jiàn)光譜的短波長(zhǎng)部分，但它的紅外光譜反射率非常優(yōu)秀。同時(shí)，金元素化學(xué)屬性非常不活潑，可以確保鏡面不會(huì)由于在太空中的長(zhǎng)期暴露而跟即便很稀薄的星際物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。鍍金涂層只有0.1微米厚，覆蓋在拋光的鈹表面上，整個(gè)主鏡的集光面積約為25平方米（是哈勃的6.25倍），看起來(lái)金光燦燦非常壯觀，但實(shí)際只使用了48.2克黃金，大概就是幾枚金戒指的重量吧。有趣的是，雖然韋布實(shí)際上沒(méi)用多少金子，但是如果把韋布的造價(jià)折算，據(jù)說(shuō)已經(jīng)超過(guò)150噸黃金的價(jià)值了。
話說(shuō)回來(lái)，為什么需要這么大的鏡面呢？因?yàn)轫f布要觀測(cè)極其暗弱的天體，任何其他的望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法觀測(cè)到的暗弱天體。打個(gè)比方，假設(shè)把一個(gè)五瓦特的小燈泡放到月球的表面，你從地球上觀測(cè)它，這個(gè)亮度比韋布需要探測(cè)的星光還要亮數(shù)十倍。即便大如韋布，從那些暗弱的天體發(fā)出的光子我們每秒大約只能收集一個(gè)，對(duì)，只有一個(gè)光子。所以想探測(cè)這些宇宙中非?；璋档臇|西，你需要一個(gè)直徑至少6米的望遠(yuǎn)鏡。
實(shí)際上天文學(xué)家希望鏡子更大，但是在發(fā)射成本和整流罩內(nèi)有限空間的限制下，6.5米的主鏡已經(jīng)是最大限度優(yōu)化可用資源的結(jié)果。雖然集光面積韋布比哈勃大好幾倍，相比起哈勃巨大的固體玻璃鏡子，韋布實(shí)際上在重量上還要輕62%，不得不說(shuō)是一個(gè)巨大的工程成就。
韋布的鏡子甚至是可編程遠(yuǎn)距離調(diào)校的。我們知道，當(dāng)哈勃第一次開(kāi)始向地球傳輸圖像時(shí)，人們很快認(rèn)識(shí)到望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)有問(wèn)題——鏡子的邊緣被磨得太平了，只差了2000納米，大約是人類(lèi)頭發(fā)的厚度的50分之一，但是這足以導(dǎo)致光線無(wú)法有效聚焦到探測(cè)器上。更換哈勃的主鏡是不可能的，幸運(yùn)的是哈勃望遠(yuǎn)鏡從一開(kāi)始就被設(shè)計(jì)成可以維修的，在其整個(gè)生命周期中，采用模塊化設(shè)備隔間，允許拆卸和更換舊設(shè)備。
為了糾正這個(gè)問(wèn)題，工程師在哈勃的其中一個(gè)設(shè)備底座安裝了校正光學(xué)器件，就像給這個(gè)數(shù)十億美元的望遠(yuǎn)鏡帶上了一副巨型眼鏡，拯救了這個(gè)項(xiàng)目。因?yàn)長(zhǎng)2點(diǎn)太遙遠(yuǎn)了，以目前的航天能力是無(wú)法送宇航員過(guò)去維修韋布的。如果鏡子有問(wèn)題，那就是 game over。工程師們不敢冒險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠調(diào)整焦點(diǎn)的機(jī)械系統(tǒng)。
十八個(gè)獨(dú)立的鏡子中的每一個(gè)都可以扭曲其鏡面形狀，并調(diào)整其像斑到相對(duì)于位于主鏡焦點(diǎn)的次鏡的位置。在鈹反射鏡后側(cè)有一個(gè)背板支撐和電機(jī)系統(tǒng)，不僅可以調(diào)節(jié)鏡子的轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以調(diào)節(jié)中心電機(jī)來(lái)改變它們的曲率，從而調(diào)整鏡子的焦點(diǎn)。
這個(gè)技術(shù)可以不需要我們把宇航員送到L2點(diǎn)來(lái)糾正類(lèi)似哈勃那樣的潛在虛焦問(wèn)題。一旦鏡面完全展開(kāi)，望遠(yuǎn)鏡將開(kāi)始其校準(zhǔn)程序。隨著每個(gè)反射鏡自身調(diào)整，直到十八個(gè)分鏡中的每一個(gè)都與次級(jí)反射鏡正確對(duì)齊。次級(jí)反射鏡是一個(gè)0.74米的凸面鏡，它本身也有六個(gè)電機(jī)來(lái)調(diào)整它的位置。這些電機(jī)和控制系統(tǒng)非常精確，鏡子可以以優(yōu)于探測(cè)波長(zhǎng)的精度來(lái)調(diào)整它們的位置。
獲得最終清晰圖像的工作不僅僅是通過(guò)主鏡像和輔助鏡像對(duì)齊來(lái)完成的。主次鏡將光線聚焦到位于光學(xué)子系統(tǒng)內(nèi)部的卡塞格林焦點(diǎn)上，一個(gè)位于主鏡中間的長(zhǎng)條狀的黑色突起結(jié)構(gòu)內(nèi)，以有效阻止周?chē)墓饩€進(jìn)入光圈范圍。這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部有一面精細(xì)的轉(zhuǎn)向鏡。這個(gè)東西大概是世界上最貴的圖像穩(wěn)定工具。它的工作是將觀測(cè)目標(biāo)保持在視野的中心，每64毫秒它將向姿態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，以確保望遠(yuǎn)鏡保持在觀測(cè)目標(biāo)上。這種姿態(tài)控制是通過(guò)位于遮陽(yáng)罩下方的衛(wèi)星平臺(tái)內(nèi)部六個(gè)反作用輪的組合來(lái)完成的。這面鏡子不斷調(diào)整自己的方向，以確保望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)在最終的探測(cè)傳感器上保持穩(wěn)定。
韋布的工程師用一個(gè)巨大的地面真空室進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試，室內(nèi)冷卻到與韋布在太空運(yùn)行相同的溫度，確保能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的調(diào)焦能力。
因?yàn)轫f布攜帶的有限燃料無(wú)法一直支撐它在L2點(diǎn)運(yùn)行需要的軌道維護(hù)和望遠(yuǎn)鏡反復(fù)指向的需求，韋布的壽命估計(jì)在5-10年，最終燃料將耗盡。但是有傳言說(shuō)，美國(guó)宇航局正在開(kāi)發(fā)新技術(shù)，在韋布失去動(dòng)力前，前往遙遠(yuǎn)的L2點(diǎn)給它加油。我相信十年后給航天器在軌加注的機(jī)器人將具備這樣的能力。
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或許這是最后一臺(tái)在地球上建造的、超過(guò)百億美元的太空望遠(yuǎn)鏡
為什么這么說(shuō)呢，韋布是因?yàn)檫h(yuǎn)超預(yù)算才破了百億美元這個(gè)門(mén)檻的。我相信，未來(lái)的旗艦級(jí)大型空間望遠(yuǎn)鏡將在太空中就位建造。
圖3 太空中的韋布望遠(yuǎn)鏡 | 圖源：NASA
實(shí)際上，一個(gè)設(shè)計(jì)用于太空工作的望遠(yuǎn)鏡要先在地面建造是一件非常困難的事情。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，尤其是商業(yè)航天快速的技術(shù)迭代，我們應(yīng)該很快能在太空中建造大型的太空望遠(yuǎn)鏡，在太空中測(cè)試它們，在太空中調(diào)整它們，然后在太空中部署它們。費(fèi)盡心機(jī)地折疊韋布，對(duì)它做大量的地面測(cè)試，都是因?yàn)槲覀儧](méi)有足夠大的火箭發(fā)射的整流罩空間，沒(méi)法保證這樣精密的太空望遠(yuǎn)鏡能夠在劇烈的發(fā)射震動(dòng)中完好無(wú)損。
我們站在一個(gè)新的太空時(shí)代的前沿，韋布望遠(yuǎn)鏡是我們邁向更有能力的太空文明的一個(gè)里程碑。作為一個(gè)能夠逃離地球重力的物種，這只是半個(gè)多世紀(jì)人類(lèi)尚且短暫的航天時(shí)代里眾多里程碑之一。
天文學(xué)家一直追求著用 “沒(méi)有最大只有更大” 的望遠(yuǎn)鏡來(lái)收集微弱的、來(lái)自宇宙早期最遙遠(yuǎn)的恒星、星系和類(lèi)星體的光，有時(shí)候還想把將明亮恒星的光切割得非常精細(xì)，以尋找小行星和地外行星的微小特征。我們從來(lái)不希望技術(shù)限制我們獲得渴望的東西。歷史上很多技術(shù)正是因?yàn)檫@樣沒(méi)有邊界的探索欲被不斷催生。但是我們今天的確遇到了必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)麻煩。人類(lèi)研究宇宙的望遠(yuǎn)鏡的建造費(fèi)用的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于它們所依賴的全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。我們只有想辦法降低項(xiàng)目的成本，才能讓人類(lèi)探索宇宙的步伐繼續(xù)充滿活力。
圖4 類(lèi)星體概念圖 圖源：NASA
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我們需要為下一代望遠(yuǎn)鏡再等待30年嗎？
韋布早期的概念設(shè)計(jì)在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前就已經(jīng)提出，三十多年后的今天才最終被發(fā)射上天。天文學(xué)家早已明確了下個(gè)十年要發(fā)射的大型太空望遠(yuǎn)鏡。例如，X射線望遠(yuǎn)鏡Athena被選為ESA的第二個(gè)大型飛行任務(wù)。它的預(yù)定發(fā)射日期是2028年。在美國(guó)，一個(gè)比韋布口徑大一倍的望遠(yuǎn)鏡早在幾年前已經(jīng)被數(shù)百位天文學(xué)家聯(lián)合提出，如果獲得批準(zhǔn)，預(yù)計(jì)最早的發(fā)射日期是2035年（大概率也會(huì)推遲）。為什么天文學(xué)家要提前這么長(zhǎng)時(shí)間計(jì)劃，提前20年甚至更早呢？天文學(xué)家只是熱衷于延遲滿足嗎？漫長(zhǎng)的時(shí)間尺度背后還有更深層次的原因。
天文學(xué)家設(shè)計(jì)一代新的太空望遠(yuǎn)鏡，是因?yàn)榭偸切枰嗟墓?/span>（更高的靈敏度）來(lái)辨別上一代設(shè)備發(fā)現(xiàn)的天體是什么，甚至揭開(kāi)它們背后的物理機(jī)制。要想有認(rèn)知上的進(jìn)步，需要在至少一項(xiàng)指標(biāo)能力上有數(shù)量級(jí)的飛躍，不然提出的項(xiàng)目基本沒(méi)有獲得政府批準(zhǔn)的機(jī)會(huì)。
在過(guò)去的幾十年里，在電磁波譜每一個(gè)波段的望遠(yuǎn)鏡都從小型探測(cè)設(shè)備發(fā)展到了大型天文臺(tái)。這些旗艦級(jí)任務(wù)（比如韋布）成本巨大，從構(gòu)思到發(fā)射需要數(shù)十年時(shí)間。
例如，哈勃望遠(yuǎn)鏡的原型是在紫外線下觀測(cè)宇宙的太空望遠(yuǎn)鏡（因?yàn)樽贤饩€不能穿過(guò)我們的大氣層）——哥白尼軌道天文臺(tái)和國(guó)際紫外線探測(cè)器（IUE），分別攜帶80厘米和45厘米直徑的鏡子。而升級(jí)版的太空望遠(yuǎn)鏡哈勃有一個(gè)3-5倍大的鏡子。哈勃的 “繼任者” 韋布（在波段上是跟哈勃互補(bǔ)的）則有一個(gè)6.5米的望遠(yuǎn)鏡，幾乎是哈勃的三倍。而計(jì)劃在2035年后發(fā)射的新一代旗艦級(jí)望遠(yuǎn)鏡可能達(dá)到15米的口徑，又一次翻倍。這種直徑乘以3左右的倍數(shù)增長(zhǎng)，或者說(shuō)以鏡面面積乘以10左右的跳躍增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)是指數(shù)級(jí)的。
問(wèn)題是，更大的望遠(yuǎn)鏡成本更高，容易面臨項(xiàng)目資金不足而取消的風(fēng)險(xiǎn)。一個(gè)例子是，在過(guò)去30年的過(guò)程中，X射線天文學(xué)獲得了100萬(wàn)倍的探測(cè)靈敏度的提升，這是巨大的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)天體物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。但是建造這些太空望遠(yuǎn)鏡的（經(jīng)過(guò)通貨膨脹修正的）費(fèi)用在30年中增加了大約20倍，年增長(zhǎng)率達(dá)10%。顯然，天文學(xué)發(fā)展所需的項(xiàng)目資金規(guī)模的高速增長(zhǎng)率是不可持續(xù)的，指數(shù)上升曲線變得幾乎垂直。按照這樣的發(fā)展速度，建造成本可能很快會(huì)超出政府的承受能力，這也是實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)在幾十年前遇到了資金障礙的本質(zhì)原因，曾經(jīng)的超級(jí)對(duì)撞機(jī)當(dāng)時(shí)已經(jīng)在德克薩斯州建造了很久，消耗了數(shù)十億美金的投入，但是最終還是由于超過(guò)了預(yù)算而被取消。
韋布望遠(yuǎn)鏡成本不斷翻倍的增長(zhǎng)導(dǎo)致該項(xiàng)目多次面臨取消的威脅。韋布在2001年縮小了原先的設(shè)計(jì)并在2011年重新規(guī)劃，避免了被取消的命運(yùn)。
目前，美國(guó)航天局每十年大約有50億美元的預(yù)算用于旗艦型太空望遠(yuǎn)鏡。也就是說(shuō)，約20年才能實(shí)施一次韋布這樣旗艦級(jí)別的太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。寬視場(chǎng)紅外望遠(yuǎn)鏡（羅曼空間天文臺(tái)）預(yù)計(jì)2025年左右發(fā)射，而到2035-2040年，我們才可以期待下一代的10米級(jí)太空望遠(yuǎn)鏡。
另一個(gè)問(wèn)題是，將雞蛋都放在大型望遠(yuǎn)鏡這一個(gè)籃子里也有巨大的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)代天體物理學(xué)的快速發(fā)展，實(shí)際上不僅僅依靠一個(gè)大口徑的望遠(yuǎn)鏡，而是依賴于同時(shí)能夠開(kāi)展整個(gè)電磁波譜的天文觀測(cè)系統(tǒng)能力的提升。恒星、星系、類(lèi)星體、行星，我們可以做到無(wú)視地球大氣層的天然屏障，不斷突破我們技術(shù)的局限性，在太空中探測(cè)幾乎所有波長(zhǎng)的光，從無(wú)線電和紅外到光學(xué)、紫外線和X射線、伽馬射線。就像拼圖拼湊在一起才能看到問(wèn)題的全貌，跨越波段的望遠(yuǎn)鏡之間的協(xié)同工作無(wú)疑是我們處于天文學(xué)黃金時(shí)代的主要原因。
如韋布一樣單一的大型科學(xué)任務(wù)對(duì)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)是一種巨大的風(fēng)險(xiǎn)：
1
如果失敗，沒(méi)有備份；
2
一項(xiàng)任務(wù)的科學(xué)不可能跨越整個(gè)領(lǐng)域的要求，否則我們現(xiàn)在擁有的多波段觀測(cè)的協(xié)同作用將會(huì)喪失；
3
空間望遠(yuǎn)鏡的多樣性也有利于這個(gè)領(lǐng)域的智力和活力。如果所有天文學(xué)家只用一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，這將限制他們科學(xué)想象力的廣度。
一擁而上依靠一臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡、爭(zhēng)搶珍貴觀測(cè)時(shí)間的天文學(xué)家們會(huì)感受到巨大的壓力，選擇什么科學(xué)問(wèn)題和研究方法一定要跟上當(dāng)前的 “時(shí)尚”，另辟蹊徑的想法往往不會(huì)被鼓勵(lì)，因?yàn)闆Q策如何使用珍貴設(shè)備的專家往往會(huì)限制創(chuàng)造性的新方法，這很難避免。
比如系外行星的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)很好的例子，一個(gè)小團(tuán)隊(duì)天文學(xué)家走不同尋常的道路，導(dǎo)致了大多數(shù)天文學(xué)家完全沒(méi)有預(yù)料到的新科學(xué)的爆炸。很多時(shí)候很難比較兩個(gè)科學(xué)目標(biāo)哪個(gè)更有價(jià)值，那么我們不如用便宜的手段實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的同步發(fā)展。
6
未來(lái)20年太空資源的商業(yè)化開(kāi)發(fā)將極大提升我們探索宇宙的“性價(jià)比”
那么我們?nèi)绾螢樘祗w物理學(xué)和行星科學(xué)設(shè)想一個(gè)更大的、開(kāi)放的、有吸引力的未來(lái)呢？
我認(rèn)為，答案在于太空資源的商業(yè)探索與利用。這看起來(lái)似乎沒(méi)有直接聯(lián)系。天文學(xué)家正為未來(lái)20年的時(shí)間尺度開(kāi)展任務(wù)規(guī)劃，但還沒(méi)有充分意識(shí)到未來(lái)20年商業(yè)太空活動(dòng)的重大變化和可能機(jī)會(huì)。
我們大多數(shù)人都知道SpaceX及其可重復(fù)使用的火箭，但也許除此之外知道的就不多了。讓我們著眼于未來(lái)20年左右的商業(yè)航天的發(fā)展，看看這些新的維度的快速發(fā)展對(duì)天體物理學(xué)和行星科學(xué)規(guī)劃的影響。就像所有的商業(yè)活動(dòng)都天然地有降低成本的巨大壓力一樣，為了利潤(rùn)最大化，商業(yè)航天也不例外。
天文學(xué)和行星科學(xué)可以利用這個(gè)方式節(jié)約成本。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，發(fā)射和科學(xué)有效載荷各自消耗大約四分之一的任務(wù)預(yù)算（直到發(fā)射），而航天器消耗大約一半。商業(yè)航天近期將在五個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生變化：（1）降低發(fā)射成本；（2）更便宜的航天器；（3）更便宜的有效載荷；（4）廉價(jià)、快速的在軌測(cè)試；（5）成本效益高的服務(wù)。
試想如果發(fā)射成本降低10倍，對(duì)于目前在太空中的大多數(shù)主要空間天文臺(tái)來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星的成本大約是一半。將航天器成本降低2倍，發(fā)射成本降低3倍，將使這些旗艦級(jí)任務(wù)的成本大致減半。這將從根本上改變旗艦任務(wù)的決定流程和規(guī)劃方式，使每十年可以發(fā)射的大型空間天文設(shè)備數(shù)量翻一番。
另外就是科學(xué)有效探測(cè)載荷，對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，利用發(fā)射和航天器上節(jié)省的經(jīng)費(fèi)來(lái)建造更加強(qiáng)大的科學(xué)有效載荷極具誘惑。望遠(yuǎn)鏡反射鏡和其他光學(xué)設(shè)備、傳感器和前置放大器電子設(shè)備等專用設(shè)備或許無(wú)法很快通過(guò)找到大量應(yīng)用而降低成本，但其他組件，包括結(jié)構(gòu)、電源、熱控制、后端電子學(xué)和數(shù)據(jù)處理，可以受益于與航天器本身相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)放寬而降低成本，或是通過(guò)低成本的在軌飛行機(jī)會(huì)開(kāi)展在軌儀器測(cè)試和迭代，加速大型任務(wù)科學(xué)有效載荷的開(kāi)發(fā)，提高可靠性，并降低成本。這可以促使更先進(jìn)的儀器更早實(shí)現(xiàn)可靠的應(yīng)用。
由于商業(yè)航天的發(fā)展，性價(jià)比高的低地球軌道（LEO）在軌服務(wù)很快將變得經(jīng)濟(jì)可行。太空望遠(yuǎn)鏡在軌服務(wù)的價(jià)值是公認(rèn)的，比如哈勃五次成功的在軌服務(wù)，包括最著名的第一次任務(wù)，修正了主鏡的像差，真正的拯救了哈勃項(xiàng)目。隨后的任務(wù)用一些參數(shù)優(yōu)于幾個(gè)數(shù)量級(jí)的新器件取代了原始儀器，并通過(guò)更換發(fā)生故障的關(guān)鍵部件（包括陀螺儀和電池）和將哈勃推進(jìn)到更高的軌道來(lái)延長(zhǎng)哈勃的壽命。然而，哈勃望遠(yuǎn)鏡維修任務(wù)的成本太高，以至于兩個(gè)后續(xù)的旗艦級(jí)天文臺(tái)被故意安置在無(wú)法維修的軌道上。就錢(qián)德拉X射線望遠(yuǎn)鏡而言，為了防止維修，故意選擇了一個(gè)高度橢圓的軌道，以降低方案發(fā)射后的維護(hù)成本，避免項(xiàng)目被砍掉。斯皮策紅外天文望遠(yuǎn)鏡被送入一個(gè)新的太陽(yáng)漂移軌道。選擇這樣做是為了減少需要攜帶的冷凍劑重量，以便在保持5年 “冷任務(wù)壽命” 的同時(shí)減少攜帶推進(jìn)劑。這一變化通過(guò)降低發(fā)射要求大大降低了任務(wù)成本，才使任務(wù)獲得批準(zhǔn)。
通過(guò)低成本的方式讓維修人員進(jìn)入低地球軌道，在軌服務(wù)可以重新成為太空望遠(yuǎn)鏡任務(wù)的正常組成部分。比如更換發(fā)生故障的系統(tǒng)可以提高風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力，從而降低成本。在軌服務(wù)還可以鼓勵(lì)愿意冒險(xiǎn)的部分系統(tǒng)選擇安裝更先進(jìn)的探測(cè)儀器，不需要為了非常高的安全性而犧牲儀器的性能。萬(wàn)一儀器出現(xiàn)故障雖然會(huì)成為一個(gè)麻煩，但不至于終結(jié)任務(wù)。
對(duì)未來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，在軌部署將越來(lái)越必要。韋布發(fā)射器整流罩目前直徑約為5米，未來(lái)的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）整流罩將達(dá)到10米。為了建造天文學(xué)家需要的更大的望遠(yuǎn)鏡，我們將需要發(fā)展在軌組裝的能力。例如，任何版本的行星成像儀干涉儀都涉及到用系繩或桁架連接幾個(gè)較小的望遠(yuǎn)鏡。在軌組裝可以完成更長(zhǎng)的磁力計(jì)，更大的通信天線，太陽(yáng)能電池板陣列也可以使用在軌組件來(lái)支持任務(wù)的能源需要。
在軌加注也讓航天器更高效地飛向太陽(yáng)系內(nèi)的其他天體成為可能。不久的未來(lái)，月球或小行星采礦作業(yè)將開(kāi)發(fā)類(lèi)似的在軌組裝能力，比如從1萬(wàn)噸或更大的小行星中提取成百上千噸的水。一個(gè)有足夠能力的采礦航天器，能夠處理這些跟國(guó)際空間站的質(zhì)量相當(dāng)?shù)奈镔Y，而這個(gè)過(guò)程幾乎肯定會(huì)涉及在軌組裝。而在20年代中期預(yù)計(jì)較小規(guī)模的小行星采礦航天器就將開(kāi)始實(shí)驗(yàn)性工作，這至少是中國(guó)第一家太空資源開(kāi)發(fā)與利用的商業(yè)公司 “起源太空（Origin Space）” 的規(guī)劃。起源太空已經(jīng)發(fā)射了世界上第一個(gè)商業(yè)太空望遠(yuǎn)鏡，也是中國(guó)首臺(tái)光學(xué)、紫外雙波段工作的空間望遠(yuǎn)鏡。（編者注：本文作者為起源太空創(chuàng)始人）
7
科學(xué)是太空經(jīng)濟(jì)發(fā)展最直接的受益者
毫無(wú)疑問(wèn)，科學(xué)是人類(lèi)太空時(shí)代的主要受益者。自從第二顆和第三顆人造地球衛(wèi)星（即1957年的Sputnik 2號(hào)和次年的Explorer-1號(hào)）發(fā)現(xiàn)了地球的輻射帶以來(lái)，人類(lèi)對(duì)于宇宙的認(rèn)知從運(yùn)行于整個(gè)太陽(yáng)系的科學(xué)衛(wèi)星與遠(yuǎn)行的航天活動(dòng)中源源不斷地涌向地球。
天體物理學(xué)和行星科學(xué)等主要學(xué)科經(jīng)歷了范式性的變化——天文觀測(cè)的能力不再受到大氣層的干擾而能夠覆蓋全波譜。在21世紀(jì)的第三個(gè)十年開(kāi)始的時(shí)候，我們需要清醒地意識(shí)到，如果人類(lèi)沒(méi)有能力進(jìn)入太空，我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)將是多么有限。要想維持當(dāng)前的科學(xué)發(fā)現(xiàn)率，必須在空間任務(wù)變得愈加復(fù)雜的同時(shí)降低成本，量級(jí)式地提升未來(lái)實(shí)際能夠執(zhí)行的太空探索活動(dòng)的性價(jià)比，從而不會(huì)限制未來(lái)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。避免這種困境的一個(gè)辦法，也許是唯一的辦法，是充分利用為商業(yè)目的發(fā)展起來(lái)的太空經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。為了人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展，任何未來(lái)的太空經(jīng)濟(jì)，無(wú)論是商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)、太空旅游、月球和小行星采礦，都將越來(lái)越依賴于利用太陽(yáng)系的能源和物質(zhì)資源。
在過(guò)去的30年里，民營(yíng)化商業(yè)化的航天模式的出現(xiàn)讓更低成本來(lái)開(kāi)展太空探索成為可能。更低的發(fā)射成本將導(dǎo)致更大、更便宜的 “現(xiàn)成” 航天器。2021年已經(jīng)有三家美國(guó)商業(yè)航天公司多次成功將普通人送上太空，未來(lái)在低地球軌道上的活動(dòng)可能會(huì)隨著私人運(yùn)營(yíng)的 “太空客車(chē)” 的發(fā)展而快速增長(zhǎng)，這些客車(chē)既用于旅游，也用于為商業(yè)運(yùn)營(yíng)的微重力研究實(shí)驗(yàn)室提供服務(wù)，比如生物技術(shù)公司很可能是這些實(shí)驗(yàn)室的主要客戶。與此同時(shí)，太空科學(xué)觀測(cè)站的在軌服務(wù)可以以合理的成本完成。更加經(jīng)濟(jì)的月球著陸器和 “行星際微小衛(wèi)星” 可以為行星科學(xué)的探索提供一種新的高效手段。這些新的機(jī)會(huì)匯總在一起，讓下一代旗艦任務(wù)可能成本只是目前數(shù)十億美元價(jià)格標(biāo)簽的一小部分。然后，我們可以擁有一個(gè)完整的匹配的 “大天文臺(tái)組網(wǎng)”，跨越整個(gè)電磁光譜，甚至包括引力波探測(cè)都不是沒(méi)有可能。
就像地球上的望遠(yuǎn)鏡建設(shè)依賴于商業(yè)建筑行業(yè)的可用性，未來(lái)的大型太空望遠(yuǎn)鏡將依賴于太空商業(yè)活動(dòng)，如建設(shè)軌道酒店或太空中運(yùn)行的太陽(yáng)能發(fā)電站。科學(xué)尤其將受益于用來(lái)支持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與開(kāi)發(fā)，這將有助于促進(jìn)大型太空望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)，也包括建立在月球和小行星上建設(shè)科研站，以及越來(lái)越多的雄心勃勃的太空科學(xué)探索任務(wù)。我們將有能力低成本建造大型太空望遠(yuǎn)鏡，深入研究大范圍的太陽(yáng)系小天體，更便宜和更有能力的機(jī)器人到外行星執(zhí)行任務(wù)，以及在月球上建立科學(xué)研究站，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候在火星上建立科學(xué)研究站。一旦太空經(jīng)濟(jì)建立起來(lái)，它可能會(huì)以指數(shù)形式增長(zhǎng)，到時(shí)候更加雄心勃勃的天文探索的目標(biāo)將不再是天方夜譚。
【作者簡(jiǎn)介】
蘇萌，本科畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，2012年獲哈佛大學(xué)天體物理學(xué)博士，2016年起任香港大學(xué)物理系副教授兼空間研究實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任。曾任麻省理工學(xué)院Pappalardo Fellow/Einstein Fellow，高能天體物理學(xué)最高獎(jiǎng)Bruno Rossi Prize 最年輕得主，研究工作入選美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)選的“世界十大物理學(xué)進(jìn)展”、《天文學(xué)》雜志評(píng)選的年度十大天文學(xué)進(jìn)展等。主要研究方向有宇宙起源與早期演化，暗物質(zhì)與暗能量探測(cè)，行星科學(xué)與深空探測(cè)，高能天體物理與引力波探測(cè)等。參與國(guó)內(nèi)外多個(gè)空間科學(xué)探測(cè)項(xiàng)目，包括南極宇宙微波背景輻射望遠(yuǎn)鏡，我國(guó)首顆空間天文衛(wèi)星“暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星”，在我國(guó)西藏阿里地區(qū)建設(shè)世界上海拔最高的天文望遠(yuǎn)鏡，尋找宇宙大爆炸時(shí)期產(chǎn)生的“原初引力波”等。他同時(shí)積極開(kāi)拓全球商業(yè)航天領(lǐng)域的“中國(guó)機(jī)會(huì)”，推動(dòng)太空資源的開(kāi)發(fā)與利用。
制版編輯 | 盧卡斯
