韦布深空场（Webb's First Deep Field）
北京时间 2022 年 7 月 12 日早上 6 点多，人类天文学又迎来一件大事。万众瞩目的韦布太空望远镜拍摄的第一张正式照片发布了。
美国副总统哈里斯、总统拜登先后亲自上阵，为它致发布辞，可见这张照片的重要性。少啰嗦，先上照片：
图：韦布太空望远镜拍摄的第一张正式照片
Webb’s First Deep Field
NASA 的老大比尔·纳尔逊亲自为这张照片做讲解，这张照片被称为「韦布首张深空场（Webb’s First Deep Field）」，它在天空中的实际大小相当于你捏着一粒沙子，把手臂伸直，这颗沙子能覆盖的天区。就在这么一丁点儿大小的宇宙天区中，我们拍摄到了上千个星系，这些星系诞生于 130 亿多年前，那是我们的宇宙刚刚诞生不到 8 亿年时的景象。
如果仔细看，我们会看到很多星系的光芒被拉成了圆弧状。
这并不是因为望远镜的形变导致的，这是引力透镜效应。韦布望远镜利用一个名为 SMACS 0723 的巨大星系团产生的引力透镜效应拍到了这张照片，你可以把星系团想象成一个放大镜，它可以把身后那些来自更遥远宇宙中的光线汇聚，让我们拍到更加清晰的图像。
我们可以对比一下韦布的前辈哈勃太空望远镜在 1995 年拍摄的首张深空场照片。我们现在都放到 1:1 大小看一下，两张照片生动展示了人类的天文观测能力在 26 年中进步了多少。
图：哈勃深空场（局部）
图：韦布深空场（局部）
还需要说明的是，韦布望远镜拍摄到的并不是可见光，而是不可见的红外光。换句话说，你现在看到的颜色并不是这些星系真实的颜色，是经过一定的算法转换后产生的图像。但这完全不影响我们欣赏这些美丽的星系，所谓颜色只不过是我们人类的主观感受，真实的光线只有不同波长的区别，你看到的这张照片就是真实的宇宙，绝不是幻影。
这张照片背后，是 20 多年的漫长等待和 100 多亿美元的巨额支出。有着「千年鸽王」称号的韦布望远镜，在它的成长过程中，就伴随着似乎永不休止的追加预算和延迟发射。最近 20 年，NASA 在天体物理学方向总预算的四分之一都贡献给了它，这让它还获得了「天文学吞噬者」[1]的称号。我曾经一度认为，韦布望远镜上天已经成了一个永远不可能成真的科幻小说。
在今天这样一个科幻成真的纪念日子，我想带你简单回顾一下韦布望远镜的坎坷历史。
1996 年，天文学家艾伦·德雷斯勒（Alan Dressler）领导了一个 18 人团队，提出 8 米口径红外望远镜方案。望远镜会工作在距离地球 150万 公里以外的日地拉格朗日 L2。跑这么远，目的是躲开来自地球的红外辐射。这就是韦布望远镜的原始计划。不过，最终打动 NASA 的并不是这项计划有多先进，而是这个方案很经济。
当时，NASA 的口头禅就是「更快、更好、更便宜」。在这种激进思想下，这个口径小、重量轻、可折叠的望远镜方案很快就得到了审查委员会的认可。当然，这在我们今天看来，有点像是一个冷笑话，但这确确实实是最初该方案得以通过的原因。1997 年，NASA 同意资助这项研究，并与位于马里兰州格林维尔特的戈达德太空飞行中心合作，准备韦布望远镜的开发和建造。此时确定的总预算，是 5 亿美元，发射时间定在了 10 年后的 2007 年。然而，进入设计阶段后，NASA 的工程师很快就发现，想要用较小口径达到大口径望远镜的精度，抗干扰能力就必须极强。而要达到设计要求的性能，先前对预算的估计实在太太太乐观了。红外望远镜最怕的是热，一丝丝热量都会干扰望远镜的正常工作。韦布望远镜必须在零下 233℃ 的温度下才能正常工作[2]。为了保持韦布望远镜长期工作在低温环境中，工程师们专门为韦布望远镜设计了一把网球场大小的遮阳伞。这种超薄的材料名叫卡普顿（Kapton），一共五层。阳光直射的时候，其表面温度会高达 100℃。随后的每一层都会越来越冷，最终确保望远镜能够保持零下 233℃ 低温[3]。
隔热问题解决了，但镜子本身用什么材料制造也是个超级难题。从地面到太空，韦布望远镜将会经历200多摄氏度的温度变化，什么材料才能在这种温度变化中，热胀冷缩带来的形变最小呢？经过反复实验，最终工程师采用了金属铍表面镀金的方案[4]。这就是韦布望远镜看起来如此金光灿烂的原因。可能你没想到，韦布望远镜虽然是光学望远镜，但没有用到玻璃。
就这样，仅仅是在韦布开工的一年后的 1998 年，总预算就上升了一倍，达到 10 亿美元，发射计划也延期一年。但是，很快，各种难题又接踵而至，每解决一个难题，就意味着预算的大幅度增加，2001 年，韦布望远镜的总预算又两次暴涨，达到 18 亿美元。发射时间也延期到了 2010 年。这时，NASA 已经感到有点骑虎难下了。如果不加以控制，韦布望远镜预算还会继续膨胀下去。于是，科学家们主动将望远镜的口径从 8 米缩小到 6.5 米，镜片的数量也从 36 个减少到 18 个，目的就是为了省钱。看上去口径只减少了不到 20%，但望远镜的集光面积其实就从 50 平方米骤减到 25 平方米，直接缩小了一半。即便如此，韦布望远镜的预算依然在迅速攀升。没办法，NASA 只好降低要求，同意使用精度较低的镜片来降低制造成本[5]。这种镜片在 1-2 微米的近红外波长上成像不够清晰。不过，这一波段地面望远镜也可以观测，所以这个结果，也还算是差强人意[6]。2006 年，虽然几经波折的韦布望远镜没有再遭遇功能缩减的窘境，但通货膨胀还是带来了项目预算的再次飙升。NASA 不得不做出决定，对韦布望远镜的建造计划进行重新规划，总预算被限制在 45 亿美元之内。发射时间也被推迟到 2013 年。落后的进度会让成本随着通货膨胀而增加，而成本增加毫无疑问又会拖慢任务进度，这是一个恶性循环。发射时间一再延迟[7]。天文学家终于开始焦虑。有人认为，韦布望远镜项目已经失控，不断膨胀的预算已经严重侵占了其他空间科学项目的资金，导致那些项目无法按期完成。2010 年，《自然》杂志发表文章《吞噬天文学的望远镜》。从此，天文学吞噬者[8]这个词就广泛流传开来。
不过，也有很多科学家坚决为韦布望远镜站台。他们说：让韦布望远镜发射升空是天文学和天体物理学的首要任务，如果没有这个项目，那么大部分项目将永远无法实现。2011 年，韦布望远镜的镜面终于制造完成。但此时韦布望远镜的预算已经高达 80 亿美元，这已经是最初项目审批时的 16 倍。美国的国会议员们大怒，觉得自己被 NASA 给耍了，他们表示宁可项目失败也绝不再增加预算了。不过，2015 年 3 月，NASA 官员向国会保证，韦布望远镜将于 2018 年准时发射，但预算要升至 88 亿美元[9]。这简直就是绑架，如果不答应，80 亿美元打水漂，答应的话，等于又一次上了 NASA 的当，国会议员们一边骂骂咧咧，一边再次忍气吞声，接受了这个残酷的现实。然而，如果保证能起作用，韦布望远镜就不会被叫做千年鸽王了。2018 年 3 月 27 日[10]，发射时间临近，工程师突然测试出望远镜的遮阳板出现裂缝，于是，发射日期又被一下子推迟了 2 年，要到 2020 年 5月 之后。说实话，别说美国国会了，连我都忍不住要骂娘了。然后，终于等到了 2020 年，结果新冠疫情突然席卷全球[11]，这次疫情又推迟了发射日期。而发射日期的延迟，意味着预算的再次增加，因为望远镜即便是呆在仓库中，每年也需要五、六亿美元的维护费用，扣除通货膨胀的影响，韦布望远镜已经花去了 108 亿美元[12]，是 NASA 最近 20 年天体物理学方向花费总额的四分之一左右。韦布望远镜的项目变故，已经从最初的调侃、抱怨、焦虑变成了天文爱好者嘴里的段子和笑谈，甚至成为了赌博公司的盘口。还有人根据韦布望远镜历年来的延迟数据，拟合出了一根曲线，用来预测望远镜的最终发射时间。
但是，段子是段子，期待是期待，我相信，所有热爱仰望星空的人，在心底深处，都在渴望着韦布发射升空的那一刻。毕竟，它承载着无数人的太空梦想。2021 年 9 月 26 日，一艘搭载着韦布望远镜的轮船缓缓离港，从美国加州开往位于法属圭亚那的库鲁发射基地[13]。它将开始为期两个月的发射前准备工作，发射时间定在 12 月 18 日。万众瞩目，都感觉这次像是真的要发射了。哪知，在发射准备期间，望远镜固定在适配器上的夹带突然意外松开，造成整个装置振动。NASA 宣布，发射日期再次推迟到 12 月 22 日。这时候，赌博公司的盘口已经很接近 1 赔 1 的赔率了。可是，似乎是为了满足戏剧需要，到了 22 日，突如其来的大风预警让发射时间再次推迟三天，新的发射日期被定在了 12 月 25 日，圣诞节。终于，在圣诞歌声中，韦布望远镜乘坐着阿丽亚娜 5 号运载火箭，前往 150 万公里外的目的地。它终于是升天了。
希望韦布能和它的前辈哈勃一样，成为又一个熊孩子最终成长为一代宗师的故事，对得起我们 20 多年的等待和巨额的投资。
这场发布会还有一个亮点，就是那位手语老师，说实话，10 分钟的发布会，我有一多半时间被她深深地吸引，如果不是她，这就是一场沉闷的发布会，但有了她，这就成了一场别开生面的发布会。
- https://www.nature.com/articles/4671028a
- https://jwst.nasa.gov/content/about/faqs/faq.html#segment
- https://www.space.com/james-webb-space-telescope-engineering-challenges
- https://www.science.org/content/article/building-james-webb-biggest-boldest-riskiest-space-telescope
- https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
- https://www.science.org/content/article/building-james-webb-biggest-boldest-riskiest-space-telescope
- https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope
- https://www.nature.com/articles/4671028a
- https://www.scientificamerican.com/article/nasa-assures-skeptical-congress-that-the-james-webb-telescope-is-on-track/
- https://www.space.com/40102-james-webb-space-telescope-launch-delay-2020.html
- https://spacenews.com/coronavirus-pauses-work-on-jwst/
- https://www.planetary.org/articles/cost-of-the-jwst
- https://www.space.com/nasa-james-webb-space-telescope-arrives-french-guiana
