完全展開狀態的韋伯太空望遠鏡CG圖。粉紅色是其五層薄膜遮陽盾。(圖片來自NASA)

 

聖誕日美國東岸時間早上7時20分(香港時間晚上8時20分)，載著史上最昂貴天文器材—韋伯太空望遠鏡的亞里安5號重型運載火箭，在法屬圭亞那的圭亞那太空中心升空，正式展開這枚在地球上等了很多年的太空望遠鏡的探索任務。

其發展史及特色，很多傳媒已有提及，其實不便多述了，本文大約只針對當中一般傳媒闡述較不足的地方，再行補充一下。

 

為何會貴得這樣離譜？

韋伯太空望遠鏡是史上最貴三大科學平台之一(另兩個是價值86億美元的歐洲的強子對撞機，與及40億美元的哈勃太空望遠鏡)。然而首先要指出的是，該太空望遠鏡由2003年開始，其總價格是20年的總和再加上未來6年的營運費用，平均每年大約5億美元，當中耗費最大的其實是2013-18年的後期設計與建造階段，平均每年6.5億美元。新工程、新項目預算超標基本已經是世界常態，但為何這個只有6噸重的東西，會比一艘連艦載機的尼米茲級航空更貴？大概和以下三方面有關：

 

韋伯太空望遠鏡是一種無外筒反射式望遠鏡，鏡面採用現時地上大型望遠鏡多片組合式設計，一來省卻單一鏡面容易出現的溫度差導致鏡面畸變問題，二來也減低打磨難度，三來也更易透過摩打微調鏡面弧度。(照片來自NASA)

1. 大部分科學研究儀器都不是商品，而且諸如天文學的儀器，對於光學或其他波段電磁波的探測要求不是特別高就是技術相當特別，需要專門開發，加上幾乎不量產(部分也會有助開發同類型高性能商用或軍用產品，不過這隨時是五至十年後的事)，進一步推高造價。

 

右圖可見韋伯太空望遠鏡為要塞進亞里安五型火箭的載荷艙，其摺疊程複雜度遠超過去的的天文望遠鏡，大約只有美國的獵戶座 / 導師訊號截收衛星可以比擬。更重要的是這些高度摺疊的部分要在未來兩星期內陸續打開，當中遮陽帆及主鏡的打開至關重要且，稍有差遲這20年的努力就會付諸東流；本望遠鏡還要於30日後調整軌道進入日地L2格拉朗日點HALO(暈輪)軌道，才能進一步進行調試工作，4個月後調試工作才能全部完成並展開初步科學探測任務。(圖片來自NASA及英文維基百科)

 

2. 之前的太空望遠鏡，多和同期的軍用偵照衛星技術有較密切的關係，例如哈勃太空望遠鏡因為同樣是洛克希德的出品，基本上和KH-11分享基本結構；而2027年升空的羅曼近紅外線太空望遠鏡，就是改裝自國家偵照局一台已退役、相信是作為備份的KH-11 BLK 3偵照衛星。其他近紅外與X光、迦瑪射線衛星或多或少都和軍方相同波段偵察衛星有技術共通之處，這至少可一定程度上減低技術難度與成本；然而韋伯望遠鏡並沒有這些優勢。為擁有許可的最大主鏡面，需要首次將主鏡面拆成十八面，並摺疊塞進載荷艙中，然後在沒有工作母船的情況下在太空中自行張開及利用小型馬達微調到主鏡所需的曲率，這已考驗研究人員相當長時間，而且難度極高。

整個任務流程及韋伯望遠鏡重新張開過程的動圖。(圖片來自SciTechDaily)

 

 

另外，由於本鏡是紅外線望遠鏡，紅外觀測儀及鏡身都需要超低溫冷卻，為讓紅外線感測器降至絕對溫度6度的水平，除了五張特殊開發的特簿遮陽板外，還有重新設計的氦氣冷卻循環系統用以散熱，這些都是高技術結晶，一件新武器若集中各種新穎科技，那其價錢一定居高不下，而一件產量只有一台的科研儀器，尤其是精度及材料要求甚至比軍用還要高的科研儀器，成本更幾乎是不可想像；同時，其冷卻條件比哈勃也苛刻很多，且因為是用容易洩漏的低溫氣體進行機械冷卻，加上距離太遠無法中修，壽命肯定遠遠不如哈勃且最多只能使用十年。對比其高成本而言，只能使用十年是否化算，因的見仁見智了。

過去19年NASA每年資金用於韋伯太空望遠鏡研究、製造及測試的開支趨勢。雖說該望遠鏡年度開支百分比最大也不足NASA每年總預算的3.5%，但若收縮到天文科研的範疇，似乎就非常高了，尤其是13-18年時情況更嚴重，故有天文學家曾指責2010年代韋伯望遠鏡也是其他太空觀測計劃的預算蠶食者，重要例子是前面提過的羅曼紅外線廣域望遠鏡，就被拖挺足足十年.....(圖片來自"How much does the James Webb Space Telescope cost?")

 

3. 太空總署在早期計劃上的成本控制失誤：2003年前後計劃開始時，本鏡估計成本大約45億美元(包10年運作開支)，比之前哈勃太空望遠鏡還便宜一些，然而同期由於需要較多撥款在其他項目上，太空總署早期是以較少的撥款維持研發，結果就是技術研發與設計時間開始延長，至2011年國會開始計劃審核時，已發現項目超支及超時趨勢愈來愈嚴重，而且基於金融海嘯後的經濟困難，本想裁掉以騰出預算維持其他計劃，但最後還是通過計劃並大幅增加預算。

2013年開始，整個計劃進入實質建造期，但先前研發的技術在製造上亦出現困難，一直有拖延，結果開支也進一步加大，加上這十多年來量化寬鬆所造成的美元變相貶，所投入的資金須進一步增加，尤其在2013-18年，最為嚴重。

亞里安五型和重獵鷹之比較。重獵紙面性能甚至比亞五好一大截且發射價格更便宜，問題是……它的載荷艙根本不夠大，塞不下韋伯望遠鏡…圖片來自arianespace.com及維基百科

 

另外，韋伯太空望遠鏡雖然只有6噸，但摺壘後體積仍異常巨大。美國雖然有一堆強力運載火箭可輕鬆把它拋到更遠軌道(即三角洲IV重型火箭及擎天神5號運載火箭541/551構形)，但兩者發射次數不多，且前者載荷艙只有5米直徑且發射價格達3.5億美元，後者載荷艙稍大，但同步軌道運力不足，把本體連同入軌火箭一同射去日地系統L2空域，已非常接近其高軌道運力極限。結果整個西方只有歐洲的亞里安5號在可靠度、價格(1.6億，比擎天神貴一點)、載荷艙空間及高軌道運力更充裕的情況下，能滿足其發射需求。然而亞里安5號的發射日程基本都是排得滿滿的(歐洲太空總署只有這種重型運載火箭，包攬大部分2噸以上的歐洲航天發射任務)，就是要等排期。結果排期間的檢收、儲存費用，還是一堆錢……..

2025年後將有三部地面超級望遠鏡投入服務，當中最大者為現時已完成地基工程、多鏡片組合後達40米級的極大望遠鏡(Extremely Large Telescope，左圖者)；另方面，太空總署也有個鏡面達到16米級的大型光學/紅外紫外廣波段太空望遠鏡計劃，名為LUVOIR ，體積達韋伯望遠鏡4倍，大約2025年才決定是否進行，但在地面那些便宜得多的"大塊頭"競爭下，是否有必要還是未知之數，(圖片來自elt-uk.org及American Institute of Physics )

 

哈勃取代者？

有些沒太留意天文學動態的讀者，一聽到這個百億巨怪，就想著這是哈勃太空望遠鏡的承繼者或挑戰者。雖然大部分科學家都視這部望遠鏡為哈勃之後最大的天文觀測突破，但NASA本來就想讓哈勃服役到2020年代末期的(其核心部件2009年換過，現在要看其他儀器還能挨多久)，然後由羅曼望遠鏡頂上；其次之後的太空望遠鏡都集中在紅外線及更X光等高能波段之上，未有顧及光學和紫外光範圍的，畢竟大氣層對可見光的阻礙其實還是較低，且光學波段也有地面的巨大望遠鏡補充。

  

看了這幅圖，只能說大氣層吸收包括紅外線在內大部分波段電磁波的能力實在太強了，加上需要冷凍至極低溫的紅外照相機才可有效顯影，所以地面建造紅外望遠鏡的效果注定很差，而最理想的觀察環境，當然是有極低溫及無空氣吸收的外太空了紅外光學天文的發展，只能靠大型紅外線太空望遠鏡了。(圖片來自連結)

 

特別技術給特別的觀測重點：

韋伯望遠鏡的觀察的波段涵蓋部分紅光及大部分紅外波段，適合用來觀察太空中較低溫物質，例如系外行星或正在形成恒星的星雲等，不過其主要任務是觀察極早期宇宙的一個「空窗期」：根據宇宙大爆炸理論，正常物質開始出現於宇宙的時間，大約是宇宙大爆炸後77萬年氫及氦形成，以及宇宙溫度、平均密度下降至光子可自由穿梭於宇宙中的時期(即宇宙中其他區域變得可見)。之後第一個星系約於3.5至4億年後形成，這是我們到現時為止最早見到的大型宇宙結構。

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。

本望遠鏡所能觀測到的宇宙最初期情況，也有助解釋宇宙大結構的由來：為何宇宙中的星系／物質會呈絲／網狀分佈？這種巨大結構在宇宙只有30億歲時就明顯存在，且長度可達百億光年(例如 武仙－北冕座長城 / Hercules-Corona Borealis Great Wall)，但正常物質最快都只能以光速傳播，極早期宇宙根本沒足夠時間形成這種巨型結構……(圖片來自連結)

 

結語：韋伯太空望遠鏡雖然性能出眾，但不斷面對著開發成本過高及使用壽命不足的質疑。同時它的十年壽命期間也會有三台新型巨型地上望遠鏡及多架新的、照顧不同波段的太空望遠鏡投入服務，和哈勃投入服務時一枝獨大的情況有很大分別，可以肯定其成就很難及得上哈勃出眾了。不過以其性能若有能力看清星系形成前早期宇宙情況，對於充實及理順宇宙創生理論，以及修正大爆炸理論與解釋宇宙結構是如何形成，都會有著巨大價值。