William：比尼米兹级还贵？ 韦伯太空望远镜之二三事

完全展开状态的韦伯太空望远镜CG图。 粉红色是其五层薄膜遮阳盾。 （图片来自NASA）

圣诞日美国东岸时间早上7时20分（香港时间晚上8时20分），载着史上最昂贵天文器材—韦伯太空望远镜的亚里安5号重型运载火箭，在法属圭亚那的圭亚那太空中心升空，正式展开这枚在地球上等了很多年的太空望远镜的探索任务。

其发展史及特色，很多传媒已有提及，其实不便多述了，本文大约只针对当中一般传媒阐述较不足的地方，再行补充一下。

为何会贵得这样离谱？

韦伯太空望远镜是史上最贵三大科学平台之一（另两个是价值86亿美元的欧洲的强子对撞机，与及40亿美元的哈勃太空望远镜）。 然而首先要指出的是，该太空望远镜由2003年开始，其总价格是20年的总和再加上未来6年的营运费用，平均每年大约5亿美元，当中耗费最大的其实是2013-18年的后期设计与建造阶段，平均每年6.5亿美元。 新工程、新项目预算超标基本已经是世界常态，但为何这个只有6吨重的东西，会比一艘连舰载机的尼米兹级航空更贵？ 大概和以下三方面有关：

韦伯太空望远镜是一种无外筒反射式望远镜，镜面采用现时地上大型望远镜多片组合式设计，一来省却单一镜面容易出现的温度差导致镜面畸变问题，二来也减低打磨难度，三来也更易透过摩打微调镜面弧度。 （照片来自NASA)

1. 大部分科学研究仪器都不是商品，而且诸如天文学的仪器，对于光学或其他波段电磁波的探测要求不是特别高就是技术相当特别，需要专门开发，加上几乎不量产（部分也会有助开发同类型高性能商用或军用产品，不过这随时是五至十年后的事），进一步推高造价。

右图可见韦伯太空望远镜为要塞进亚里安五型火箭的载荷舱，其折叠程复杂度远超过去的的天文望远镜，大约只有美国的猎户座/导师讯号截收卫星可以比拟。 更重要的是这些高度折叠的部分要在未来两星期内陆续打开，当中遮阳帆及主镜的打开至关重要且，稍有差迟这20年的努力就会付诸东流;本望远镜还要于30日后调整轨道进入日地L2格拉朗日点HALO（晕轮）轨道，才能进一步进行调试工作，4个月后调试工作才能全部完成并展开初步科学探测任务。 （图片来自NASA及英文维基百科）

2. 之前的太空望远镜，多和同期的军用侦照卫星技术有较密切的关系，例如哈勃太空望远镜因为同样是洛克希德的出品，基本上和KH-11分享基本结构;而2027年升空的罗曼近红外线太空望远镜，就是改装自国家侦照局一台已退役、相信是作为备份的KH-11 BLK 3侦照卫星。 其他近红外与X光、迦玛射线卫星或多或少都和军方相同波段侦察卫星有技术共通之处，这至少可一定程度上减低技术难度与成本;然而韦伯望远镜并没有这些优势。 为拥有许可的最大主镜面，需要首次将主镜面拆成十八面，并折叠塞进载荷舱中，然后在没有工作母船的情况下在太空中自行张开及利用小型马达微调到主镜所需的曲率，这已考验研究人员相当长时间，而且难度极高。

整个任务流程及韦伯望远镜重新张开过程的动图。 （图片来自SciTechDaily）

另外，由于本镜是红外线望远镜，红外观测仪及镜身都需要超低温冷却，为让红外线传感器降至绝对温度6度的水平，除了五张特殊开发的特簿遮阳板外，还有重新设计的氦气冷却循环系统用以散热，这些都是高技术结晶，一件新武器若集中各种新颖科技，那其价钱一定居高不下，而一件产量只有一台的科研仪器，尤其是精度及材料要求甚至比军用还要高的科研仪器， 成本更几乎是不可想象;同时，其冷却条件比哈勃也苛刻很多，且因为是用容易泄漏的低温气体进行机械冷却，加上距离太远无法中修，寿命肯定远远不如哈勃且最多只能使用十年。 对比其高成本而言，只能使用十年是否化算，因的见仁见智了。

过去19年NASA每年资金用于韦伯太空望远镜研究、制造及测试的开支趋势。 虽说该望远镜年度开支百分比最大也不足NASA每年总预算的3.5%，但若收缩到天文科研的范畴，似乎就非常高了，尤其是13-18年时情况更严重，故有天文学家曾指责 2010年代韦伯望远镜也是其他太空观测计划的预算蚕食者，重要例子是前面提过的罗曼红外线广域望远镜，就被拖挺足足十年….. （图片来自”How much does the James Webb Space Telescope cost？”）

3. 太空总署在早期计划上的成本控制失误：2003年前后计划开始时，本镜估计成本大约45亿美元（包10年运作开支），比之前哈勃太空望远镜还便宜一些，然而同期由于需要较多拨款在其他项目上，太空总署早期是以较少的拨款维持研发，结果就是技术研发与设计时间开始延长，至2011年国会开始计划审核时，已发现项目超支及超时趋势愈来愈严重， 而且基于金融海啸后的经济困难，本想裁掉以腾出预算维持其他计划，但最后还是通过计划并大幅增加预算。

2013年开始，整个计划进入实质建造期，但先前研发的技术在制造上亦出现困难，一直有拖延，结果开支也进一步加大，加上这十多年来量化宽松所造成的美元变相贬，所投入的资金须进一步增加，尤其在2013-18年，最为严重。

亚里安五型和重猎鹰之比较。 重猎纸面性能甚至比亚五好一大截且发射价格更便宜，问题是…… 它的载荷舱根本不够大，塞不下韦伯望远镜… 图片来自arianespace.com及维基百科

另外，韦伯太空望远镜虽然只有6吨，但折垒后体积仍异常巨大。 美国虽然有一堆强力运载火箭可轻松把它抛到更远轨道（即三角洲IV重型火箭及擎天神5号运载火箭541/551构形），但两者发射次数不多，且前者载荷舱只有5米直径且发射价格达3.5亿美元，后者载荷舱稍大，但同步轨道运力不足，把本体连同入轨火箭一同射去日地系统L2空域，已非常接近其高轨道运力极限。 结果整个西方只有欧洲的亚里安5号在可靠度、价格（1.6亿，比擎天神贵一点）、载荷舱空间及高轨道运力更充裕的情况下，能满足其发射需求。 然而亚里安5号的发射日程基本都是排得满满的（欧洲航天局只有这种重型运载火箭，包揽大部分2吨以上的欧洲航天发射任务），就是要等排期。 结果排期间的检收、储存费用，还是一堆钱……..

2025年后将有三部地面超级望远镜投入服务，当中最大者为现时已完成地基工程、多镜片组合后达40米级的极大望远镜（Extremely Large Telescope，左图者 ）;另方面，太空总署也有个镜面达到16米级的大型光学/红外紫外广波段太空望远镜计划，名为LUVOIR ，体积达韦伯望远镜4倍，大约2025年才决定是否进行，但在地面那些便宜得多的”大块头”竞争下，是否有必要还是未知之数，（图片来自elt-uk.org及American Institute of Physics )

哈勃取代者？

有些没太留意天文学动态的读者，一听到这个百亿巨怪，就想着这是哈勃太空望远镜的承继者或挑战者。 虽然大部分科学家都视这部望远镜为哈勃之后最大的天文观测突破，但NASA本来就想让哈勃服役到2020年代末期的（其核心部件2009年换过，现在要看其他仪器还能挨多久），然后由罗曼望远镜顶上;其次之后的太空望远镜都集中在红外线及更X光等高能波段之上，未有顾及光学和紫外光范围的，毕竟大气层对可见光的阻碍其实还是较低， 且光学波段也有地面的巨大望远镜补充。

看了这幅图，只能说大气层吸收包括红外线在内大部分波段电磁波的能力实在太强了，加上需要冷冻至极低温的红外照相机才可有效显影，所以地面建造红外望远镜的效果注定很差，而最理想的观察环境，当然是有极低温及无空气吸收的外太空了红外光学天文的发展，只能靠大型红外线太空望远镜了。 （图片来自链接)

特别技术给特别的观测重点：

韦伯望远镜的观察的波段涵盖部分红光及大部分红外波段，适合用来观察太空中较低温物质，例如系外行星或正在形成恒星的星云等，不过其 主要任务是观察极早期宇宙的一个「空窗期」：根据宇宙大爆炸理论，正常物质开始出现于宇宙的时间，大约是宇宙大爆炸后77万年氢及氦形成，以及宇宙温度、平均密度下降至光子可自由穿梭于宇宙中的时期（即宇宙中其他区域变得可见）。 之后第一个星系约于3.5至4亿年后形成，这是我们到现时为止最早见到的大型宇宙结构。

GNz-11星系只有銀河系4%，質量不足10億個太陽，其可見光波段幾乎都是紅光。若扣除紅移效應，其光主要應該是最高溫的藍色，代表有大量高溫高光度大質恒星正在形成。透過韋伯望遠鏡，應該可以更清楚見到其低溫（如外圍塵埃雲）的結構。圖片來自連結1及哈勃官方TWITTER

然而在這段時間內發生過什麼事？照一般恒星形成理論，須先有星際氣體滙集，然後因重力收縮開始形成原恒星，最後中心達到核聚變所需溫度及密度，成為恒星。同時如果有一大片巨型星際氣體雲團形成大量恒星，那這個巨型恒星集體就會被視為星系。但由氣體雲匯聚到第一代恒星形成這階段，究竟是什麼在主宰氣體雲迅速匯聚？有人說是大量暗物質把物質吸引過來，有人則指是宇宙形成後也跟隨形成的巨型太初黑洞把各類物質吸引過來。這些光影不但極遙遠，而且在宇宙膨漲所造成的星系紅移影響下，所有電波的波長都被大幅拉長，成為能量更低的較長波段電波，比如我們見到的最遠星系GN-z11，大部分的光都變成暗偏紅色及肉眼看不到的紅外線。更早期的星系影像早就給星系紅移弄出可見光之外，我們需要在紅外光範圍尋找它們的影踪了。這就是需要巨型紅外光太空望遠鏡的原因。

本望远镜所能观测到的宇宙最初期情况，也有助解释宇宙大结构的由来：为何宇宙中的星系/物质会呈丝/网状分布？ 这种巨大结构在宇宙只有30亿岁时就明显存在，且长度可达百亿光年（例如武仙-北冕座长城 / Hercules-Corona Borealis Great Wall），但正常物质最快都只能以光速传播，极早期宇宙根本没足够时间形成这种巨型结构…… （图片来自链接)

结语：韦伯太空望远镜虽然性能出众，但不断面对着开发成本过高及使用寿命不足的质疑。 同时它的十年寿命期间也会有三台新型巨型地上望远镜及多架新的、照顾不同波段的太空望远镜投入服务，和哈勃投入服务时一枝独大的情况有很大分别，可以肯定其成就很难及得上哈勃出众了。 不过以其性能若有能力看清星系形成前早期宇宙情况，对于充实及理顺宇宙创生理论，以及修正大爆炸理论与解释宇宙结构是如何形成，都会有着巨大价值。

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