韦伯太空望远镜，迟到12年的圣诞礼物
提示：韦伯望远镜用视频感受更直观、更具体、更形象，视频请直接跳转至我的视频号观看。
Hello大家好，我是阿图。 今天咱们来讲 詹姆斯-韦伯太空望远镜 (James Webb Telescope)。
詹姆斯-韦伯这个名字呢来源于NASA前局长，他曾主持过阿波罗登月，后面我们就直接叫它韦伯儿了。
官方称韦伯儿比哈勃儿性能强100倍，这个月(2021.12.24)马上就要发射。
发射地在法属圭亚那，运载火箭为阿利安5号(Ariane5)，预期在轨10年。
ta是人类历史上 体积最大~ 价格最贵~ 技术最难~ 的望远镜，对整个人类文明都有重大意义。
最大
第一，先说它最大。
大家可以看下它的形状哈
这个金光灿灿的像蜂巢一样的东西就是它的主镜了，一共由18块组成，直径6.6米。
镜子表面是由镀金”铍”做成，非常光滑且精度极高。
把他放大到三亚到黑龙江的距离，它的不规则性也只有几厘米高。
这个镜面误差极其重要，当年哈勃因为这个，导致拍的照片很模糊，不得不派人去太空里修。
下面这个银色像锡纸一样的东西，是遮阳板，一共五层，每层比头发丝还薄，面积有网球场那么大。
就眼前的这个庞然大物，发射前要塞到只有5米宽的整流罩中，到达太空后要以纳米级的精度展开，直到形成这个目标形状。
最贵
第二，最贵。
韦伯有个外号，叫鸽王。
历史上从来没有时间超这么久，预算超这么多的太空项目。
韦伯项目在1996年就提出了想法，但5年后的2001年才开始提上日程，
2002年确定8年后的2010年发射，
可真到了2010年，又说2016年发射
可真到了2016年，继续推迟。
现在她终于站上了发射场，如果一切顺利，它将于圣诞节前一天(2021.12.24)发射。
嗯~ 这个圣诞礼物足够大。
1996年刚提出想法时，韦伯预算是30亿，但目前已花费600亿。
粗略一算，每延误1天就烧掉600万，也就是1天1辆兰博基尼。
为什么超期这么久？咱们后面会具体讲哈。
最难
第三，最难。
》难点1是轨道。
目前我们绝大多数的航天器，比如卫星阿、空间站阿，还有哈勃望远镜阿，都是绕着地球转的。
但韦伯是绕着太阳转的！
更具体地说，韦伯将去往第二拉个朗日点，和太阳、地球共同组成“三体系统”。
拉格朗日点非常好理解。 就是说像太阳-地球这样的，有俩天体的平衡系统中，放入第三个天体，应该放哪才能继续保持平衡。
这其实就是一个特殊的三体问题，有兴趣的可以去看看刘慈欣的《三体》。
经过欧拉和拉格朗日的先后求解，找到了满足此问题的5个点。
也就是图里的L1到L5，分别对应 第一 到第五 拉格朗日点。
拉格朗日点这么多，韦伯怎么单单就看上L2点了？
其中一个原因呢，是当你观测宇宙时，太阳和地球其实都是障碍物。
当你处在L2点时，太阳和地球都在同一个方向，离得还远，这样视角更自由更开阔。
不像哈勃，绕地球转圈时，每圈总有一段时间视野会被地球阻挡，这也是韦伯不绕地球转的原因。
另外L2点跟地球的距离也几乎恒定，有助于韦伯的稳定通信。
就是有点远，距离100多万公里，是地月距离的3倍。
这也意味着如果出现故障，几乎不可能派人去维修。
韦伯到了L2点后，并不是停在那，而是绕着那个点转。
通过转动，姿态控制更容易，消耗能量也更少。
这样一来呢，韦伯不仅要绕着太阳转，还要绕着L2点转，其实就是在太空里画圈圈。
这种轨道有一个专门的名字，叫Halo，也就是光晕轨道。
除了韦伯，L2点其实已经有两个航天器在轨了。
那还能放下韦伯吗？
别说韦伯了，截止到今年(2021)，已有9个计划中的航天器也瞄准了L2点。
因为这里特别适合观测太空，是块风水宝地。
至于各自的轨道嘛，挤挤总会有的。
》难点2是展开时间长。
在到达L2后，韦伯将花费6个月来展开和校准。
这个过程有300个关键部件，而且不允许有组件出现问题。
所以起飞前的地面测试是重中之重，这也是拖延的原因之一。
》难点3是温度控制。
其实韦伯对太阳又爱又恨。
爱她能源源不断地给自己充电，
恨她实在是太热了。
L2点在地球的阴影之外，这意味着太阳能直接晒到这里，热辐射非常强。
韦伯上搭载有特殊的红外传感器，这个传感器必须保持极度低温才能正常干活。
怎么办呢？
这又要得益于L2点这个位置，太阳和地球都在同一个方向。
在这个方向上，地球没法反射太阳光，而至于太阳直射，找个东西遮住就好了。
前面说的像锡纸一样的遮阳板，作用就是隔热，将望远镜分成热面和冷面。
热面上就是太阳能电池和天线。
冷面就是主镜和分析设备。
遮阳板能将冷面的温度降到40开氏度（-233℃）以下， 但红外传感器仍不满足，
它要求温度需要降到7开氏度以下，（-266℃），只比绝对零度高7度。
因此，韦伯上配备了基于氦的冷却器，但这个冷却器成本非常高，阀门还动不动就泄露。
于是当年阿，管理人员就想把红外传感器给阉割掉，但天文学家可就不同意了。
他们说啊，这个特殊的红外传感器是韦伯身上最令人兴奋的仪器，要去掉的话整个项目的意义就少了一大半。
最后天文学家纷纷请愿，总算是把它保留了下来，这也导致韦伯继续拖延。
# 意义 最后咱们说下韦伯望远镜的意义。
韦伯因为携带了先进的红外传感器，它就能更有效地处理老的、凉的、粉状的天体，简称“老凉粉”。
先说老的： 由于多普勒效应，古老的天体所发射的紫外线，已经被宇宙膨胀，拉伸成波长更长的红外线，也就是所谓的红移。
多普勒效应很好理解，就比如当一辆车在你身边匀速经过时，你能明显感觉到车过来和离去时音调是不一样的，这就是“声波”的多普勒效应。
利用这个效应，韦伯可以检测到宇宙135亿年前的红移，这距离宇宙诞生仅3亿年，进而可以感知到来自第一代的恒星和星系。
再说凉的： 宇宙中所有的东西都在发射电磁波，而且光谱跟温度有关。
发光发热的恒星，韦伯直接通过可见光就能看到。
而新形成的行星呢，一般温度都特别低，接近于绝对零度，目前也就只能通过红外线来观测。
最后说粉： 粉状的物体指的是隐藏在“黑暗星云”中的东西，其实就是一团黑雾。
黑雾虽然能挡住可见光，但挡不住红外线。
韦伯将以前所未有的细节，首次向人类展现出他们的内部形态。
同时在近红外光谱仪和近红外摄像头的加持下，韦伯将生成更为细节的星空图。
很快，这些星空图就会出现在你我身边，成为手机和电脑的壁纸。
最令人期待的是宇宙诞生后最初几亿年的图像，说不定它能揭示星系的出现过程。
这些星系中有第一代恒星，这些恒星在演化接近末期时，会产生剧烈爆炸，也叫超新星爆炸。
韦伯可能会看到这个爆炸画面。
第二代恒星会继续重复这个自爆过程，哎就好像在宇宙里放烟花，来为第三代恒星铺路。
我们知道太阳的年龄是45.5亿年，是宇宙年龄的三分之一，所以都把太阳看成是宇宙的第三代恒星。
天文学家认为呢，第一代恒星可能对宇宙的其余部分，产生了巨大的影响。
因为它发射的辐射炸开了原始的氢原子，产生了电子和质子的等离子体。
如果恒星不自爆的话，这些原子就会阻碍光的传播。
所以说，恒星的出现使宇宙变得透明。
这个诸多恒星自爆的时代，又被成为“宇宙黎明”。
韦伯不仅能看到这个黎明，应该还能帮助我们理解这个过程发生的细节，甚至看到行星的起源。
近几十年来，行星科学家已经发现了数千个类似太阳系的行星系统。
根据对太阳系的研究，木星和土星这样的气态巨行星是不应该存在的，但这种现象在行星系统中却很常见。
韦伯说不定能找到这个现象的形成原因。
韦伯寻找系外行星的一种方法呢，是利用凌日现象。
凌日就指的是： 行星转着转着，正好转到 它的母星和韦伯之间的位置，也就是此时行星会挡住母星。
正好这时母星的亮度就能降低，韦伯看它的时候不会那么晃眼。
而且韦伯能通过凌日过程中穿过恒星的光，来研究行星大气层的组成。
说不定能找到甲烷、水、二氧化碳，甚至能够识别到天气。
除了系外天体，韦伯也能研究太阳系本身的物体，但是限制在火星及更外层。
因为再近热量会升高，可能会烧坏仪器。
在这个观测范围内，韦伯可以研究太阳系早期的小行星、彗星、矮行星，以及观察行星卫星的组成和外观。
刚才说的内容已经不少了把，但科学家还想要研究更多，比如暗能量和暗物质。
据说暗能量占据了未知宇宙中的68%，它在某种程度上加速了宇宙的膨胀。
暗物质占据了宇宙中的27%，而我们熟悉的原子等物质只占了总量的不到5%。
暗物质只能通过重力与我们熟悉的物质相互作用，但它的真正本质仍然存在争议，而韦伯或与能给出说法。
总之，如果一切顺利，预计2022年中期，我们就能收到来自韦伯的有用数据了。
当那一刻来临时，人类对宇宙的探索，将进入一个全新的阶段。
我们也将面对星辰大海，感受宇宙的浪漫。
===
如果你对韦伯感兴趣，可以关注公众号 阿图同学，里面有详细的图文介绍。
后续我也会持续关注韦伯的动向，
如果你喜欢我的文章，求点赞，求转发，我们下期再见。