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撰文 | 蘇萌

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宇宙大爆炸幾千萬年后，進入了人類還知之甚少的再電離時代。第一代的早期恒星開始形成，核聚變開始在天體中發(fā)生，引力勢能開始轉(zhuǎn)化為輻射。此時，大質(zhì)量的恒星們發(fā)出的高能量紫外光子暢通無阻地穿過廣袤的宇宙，在130多億年后到達地球附近——長途跋涉后疲憊不堪的紫外光子已經(jīng) “紅移” 到中遠紅外波段，落入到人類最強大的哈勃太空望遠鏡沒有辦法探測的波長范圍。

然而，順利的話，只要幾個月之后，這些光子中的幸運兒即將被人類歷史上迄今為止最龐大、最復(fù)雜的太空望遠鏡捕獲。這臺望遠鏡就是詹姆斯·韋布望遠鏡。

韋布望遠鏡將給人類帶來第一次對早期宇宙天體結(jié)構(gòu)的詳細考察。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時代開始誕生演化的，這樣的信息對天文學(xué)家來說是多年來夢寐以求的。韋布上的紅外探測器是地面望遠鏡完全望塵莫及的，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，未來十年韋布將一次又一次地改進甚至顛覆天文學(xué)家今天的認知。

最龐大、最復(fù)雜的太空望遠鏡：

后“韋布”時代到來

過去的三十年時間里，韋布望遠鏡不斷消耗著美國航天局（NASA）有限的預(yù)算，總支出占到NASA對整個天體物理學(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目的開展，一度有很大的風(fēng)險被叫停。而為了讓這個過于昂貴又不允許犯錯（too big to fail）的項目成功實施，NASA不得不投入更多的經(jīng)費，直到達到98億美元的天價。

這場價值近100億美元的賭注終于在萬眾矚目之下搭載著歐洲航天局（ESA）重型運載火箭阿利亞娜五型火箭成功發(fā)射，奔向150萬公里遠的第二拉格朗日點。不知道全世界多少的天文學(xué)家、物理學(xué)家和天文愛好者們在圣誕節(jié)緊張而興奮地看著這枚火箭攜帶著代表人類太空科技最前沿的杰作升空。

圖1 載著詹姆斯·韋布望遠鏡的阿麗亞娜5型火箭整裝待發(fā) | 圖源：NASA/Bill Ingalls

不得不說，韋布太空望遠鏡是一個近乎瘋狂的工程，建造它所需的技術(shù)組合毋庸置疑是超越時代的，包括探測器系統(tǒng)、機電系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和遮陽板等等。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)說達到了4千萬工時的工作量），某種意義上講，更是人類科技發(fā)展數(shù)百年的材料、工程技術(shù)的反復(fù)沉淀，才讓這樣的項目在今天成為可能。韋布的發(fā)射是人類探索宇宙歷史上的一個重要里程碑。

人們用80后，90后，00后這樣的時代標(biāo)簽來描述一代又一代的人。我覺得天文學(xué)研究某種意義上講也是這樣的。哈勃太空望遠鏡是31年前（1990年4月）發(fā)射的，“90后” 或者說 “哈勃后” 是天文學(xué)發(fā)展的一個時代印記。今天韋布的發(fā)射應(yīng)該會開啟一段新 “韋布后” 時代。作為一名天文學(xué)工作者，看著法屬圭亞那發(fā)射場的倒計時牌，內(nèi)心是無比激動的。

圖2 韋布望遠鏡升空  | 圖源：NASA/Bill Ingalls 

紅外，制冷，和遙遠的L2

韋布望遠鏡不像哈勃望遠鏡一樣，在距離地球數(shù)百公里的軌道上繞地球運行，而是在相較數(shù)千倍遠的日地第二拉格朗日點（L2）運行，大約是地月距離的四倍之多。這是太陽和地球的五個引力平衡點之一，太陽和地球兩個物體的引力幾乎平衡于韋布望遠鏡的運動向心力，就像太空中的一個小停車位，允許衛(wèi)星坐在相對穩(wěn)定的位置，同時使用最少的燃料留在那里，相對容易地保持在一定空間范圍內(nèi)工作（并不是一個點，而是一個區(qū)域）。

太陽和地球之間有五個拉格朗日點。其中第一拉格朗日點（L1）位于太陽和地球之間，適合太陽觀測衛(wèi)星。然而，韋布望遠鏡的工作性質(zhì)要求它盡可能避免來自太陽的光線，因為它是一臺紅外波段（0.6至28.3微米）的太空望遠鏡。

大家都知道，熱的東西會產(chǎn)生紅外線，比如夜晚，我們可以通過紅外夜視儀看到發(fā)熱的東西。而從太陽發(fā)出的熱量會讓韋布超級靈敏的傳感器瞬間飽和——這樣的探測器是設(shè)計用來觀察寒冷且遙遠的宇宙天體的。由于L2獨特的動力學(xué)特性，韋布望遠鏡背對太陽、地球和月亮。同時，望遠鏡的暗面需要在零下233攝氏度下工作，如果沒有辦法阻擋來自太陽和地球的熱量，那么望遠鏡會在83攝氏度燒焦，這樣的溫度幾乎足以燒開水。所以需要一個強大的隔熱設(shè)計——韋布望遠鏡的一個重要特征就是背上背著一個巨大的 “護盾”，像烏龜一樣，或者更準(zhǔn)確的說，是一個史上最強的 “遮陽傘”。

制造這樣一個遮陽傘實際上是一個非常非常棘手的問題。按照設(shè)計要求，穿過遮陽傘泄露到韋布探測器的熱功率不能超過1瓦。

我們知道，熱可以通過三種方式傳遞。真空中沒有熱對流，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鏡是如何管理熱量的：首先遮陽傘必須足夠輕且抗太陽輻射降解，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。韋布有五層遮陽傘，而每一層都非常薄。第一層，即離太陽最近的一層最厚，為0.05毫米，而接下來的四層僅為0.02毫米。每一層同時涂有100納米厚的鋁涂層，以增強反射率。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，韋布的遮陽傘在發(fā)射前必須折疊 “瘦身”，因此必須設(shè)計一些難以置信的復(fù)雜力學(xué)結(jié)構(gòu)，來確保它正確展開。

膜和電纜這些柔性結(jié)構(gòu)的部署，在動力學(xué)上幾乎無法計算，控制這些幾乎不確定的過程需要大量的工程實驗和試錯。你可以想象，輕薄的遮陽傘就像我們熟悉的降落傘。你知道降落傘會起作用，但它起作用的前提是你要在使用前很好地折疊它。但同時，只有當(dāng)你真的使用它的時候，你才知道它是否正確地折疊了。

韋布遮陽傘的展開過程將在發(fā)射后幾天開始。在太陽能帆板和通訊天線等常規(guī)組件展開后，真正令人神經(jīng)緊張的部署過程將從第七天開始——此時的韋布正在向L2飛行途中。在這個展開的序列中，有超過三百個單點故障的可能性——100億美元的三百次機會。

遮陽傘的107個固定點要按次序依次釋放，讓滑輪電機、電纜軸承和彈簧系統(tǒng)卷起遮陽傘，直到精確部署至完整的形狀，整個過程將需要三天時間。一旦完成，光學(xué)組件將展開到位并鎖定。

網(wǎng)球場大小的遮陽傘被微隕石擊中的可能性相當(dāng)高。因為這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導(dǎo)致整個遮陽傘撕裂。為了防止這種情況發(fā)生，纖維膠帶被縫合進遮陽傘，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。

遮陽傘的薄膜還經(jīng)過精心模制，帶有波紋和其他形狀，以加強結(jié)構(gòu)和屏蔽功能。這種被動制冷的方式非常有幫助。確保望遠鏡的黑暗面有效屏蔽太陽的熱量，保持其敏感的熱探測儀器在40開爾文，也就是大約零下233攝氏度。

韋布的中紅外探測儀器則需要更冷的環(huán)境才能有效的工作——7開爾文。為此，韋布在被動制冷的基礎(chǔ)上還需要主動冷卻。韋布望遠鏡帶有一個創(chuàng)新設(shè)計的低溫冷卻器，花費了一億五千萬美元。冷卻器需要盡量減少功耗，因為韋布只有由太陽能電池陣列提供的兩千瓦供電能力，實現(xiàn)超低溫環(huán)境的同時，還需要避免各種運動部件振動產(chǎn)生的影響，因為望遠鏡哪怕最微小的抖動都可能導(dǎo)致最后經(jīng)過長時間曝光的圖像變得模糊。

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鏡最引人注目的部分，它由十八個六邊形模塊組成。我敢打賭它跟你見過的任何望遠鏡的鏡子都不一樣，那么它為什么被設(shè)計成這樣呢？

韋布的主鏡需要在L2點運行時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)對低溫環(huán)境，保持鏡面的形狀，不會收縮得太厲害。雖然鈹比鋼更容易斷裂，但在實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。黃金不是可見光的最佳反射器，在現(xiàn)實生活中尤其不善于反射可見光譜的短波長部分，但它的紅外光譜反射率非常優(yōu)秀。同時，金元素化學(xué)屬性非常不活潑，可以確保鏡面不會由于在太空中的長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，整個主鏡的集光面積約為25平方米（是哈勃的6.25倍），看起來金光燦燦非常壯觀，但實際只使用了48.2克黃金，大概就是幾枚金戒指的重量吧。有趣的是，雖然韋布實際上沒用多少金子，但是如果把韋布的造價折算，據(jù)說已經(jīng)超過150噸黃金的價值了。

話說回來，為什么需要這么大的鏡面呢？因為韋布要觀測極其暗弱的天體，任何其他的望遠鏡都無法觀測到的暗弱天體。打個比方，假設(shè)把一個五瓦特的小燈泡放到月球的表面，你從地球上觀測它，這個亮度比韋布需要探測的星光還要亮數(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，對，只有一個光子。所以想探測這些宇宙中非常昏暗的東西，你需要一個直徑至少6米的望遠鏡。

實際上天文學(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，韋布實際上在重量上還要輕62%，不得不說是一個巨大的工程成就。

韋布的鏡子甚至是可編程遠距離調(diào)校的。我們知道，當(dāng)哈勃第一次開始向地球傳輸圖像時，人們很快認識到望遠鏡的光學(xué)系統(tǒng)有問題——鏡子的邊緣被磨得太平了，只差了2000納米，大約是人類頭發(fā)的厚度的50分之一，但是這足以導(dǎo)致光線無法有效聚焦到探測器上。更換哈勃的主鏡是不可能的，幸運的是哈勃望遠鏡從一開始就被設(shè)計成可以維修的，在其整個生命周期中，采用模塊化設(shè)備隔間，允許拆卸和更換舊設(shè)備。

為了糾正這個問題，工程師在哈勃的其中一個設(shè)備底座安裝了校正光學(xué)器件，就像給這個數(shù)十億美元的望遠鏡帶上了一副巨型眼鏡，拯救了這個項目。因為L2點太遙遠了，以目前的航天能力是無法送宇航員過去維修韋布的。如果鏡子有問題，那就是 game over。工程師們不敢冒險，設(shè)計了一個能夠調(diào)整焦點的機械系統(tǒng)。

十八個獨立的鏡子中的每一個都可以扭曲其鏡面形狀，并調(diào)整其像斑到相對于位于主鏡焦點的次鏡的位置。在鈹反射鏡后側(cè)有一個背板支撐和電機系統(tǒng)，不僅可以調(diào)節(jié)鏡子的轉(zhuǎn)動，還可以調(diào)節(jié)中心電機來改變它們的曲率，從而調(diào)整鏡子的焦點。

這個技術(shù)可以不需要我們把宇航員送到L2點來糾正類似哈勃那樣的潛在虛焦問題。一旦鏡面完全展開，望遠鏡將開始其校準(zhǔn)程序。隨著每個反射鏡自身調(diào)整，直到十八個分鏡中的每一個都與次級反射鏡正確對齊。次級反射鏡是一個0.74米的凸面鏡，它本身也有六個電機來調(diào)整它的位置。這些電機和控制系統(tǒng)非常精確，鏡子可以以優(yōu)于探測波長的精度來調(diào)整它們的位置。

獲得最終清晰圖像的工作不僅僅是通過主鏡像和輔助鏡像對齊來完成的。主次鏡將光線聚焦到位于光學(xué)子系統(tǒng)內(nèi)部的卡塞格林焦點上，一個位于主鏡中間的長條狀的黑色突起結(jié)構(gòu)內(nèi)，以有效阻止周圍的光線進入光圈范圍。這個結(jié)構(gòu)內(nèi)部有一面精細的轉(zhuǎn)向鏡。這個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，以確保望遠鏡保持在觀測目標(biāo)上。這種姿態(tài)控制是通過位于遮陽罩下方的衛(wèi)星平臺內(nèi)部六個反作用輪的組合來完成的。這面鏡子不斷調(diào)整自己的方向，以確保望遠鏡的目標(biāo)在最終的探測傳感器上保持穩(wěn)定。

韋布的工程師用一個巨大的地面真空室進行校準(zhǔn)和測試，室內(nèi)冷卻到與韋布在太空運行相同的溫度，確保能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的調(diào)焦能力。

因為韋布攜帶的有限燃料無法一直支撐它在L2點運行需要的軌道維護和望遠鏡反復(fù)指向的需求，韋布的壽命估計在5-10年，最終燃料將耗盡。但是有傳言說，美國宇航局正在開發(fā)新技術(shù)，在韋布失去動力前，前往遙遠的L2點給它加油。我相信十年后給航天器在軌加注的機器人將具備這樣的能力。

或許這是最后一臺在地球上建造的、超過百億美元的太空望遠鏡

為什么這么說呢，韋布是因為遠超預(yù)算才破了百億美元這個門檻的。我相信，未來的旗艦級大型空間望遠鏡將在太空中就位建造。

圖3 太空中的韋布望遠鏡 | 圖源：NASA

實際上，一個設(shè)計用于太空工作的望遠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鏡，在太空中測試它們，在太空中調(diào)整它們，然后在太空中部署它們。費盡心機地折疊韋布，對它做大量的地面測試，都是因為我們沒有足夠大的火箭發(fā)射的整流罩空間，沒法保證這樣精密的太空望遠鏡能夠在劇烈的發(fā)射震動中完好無損。

我們站在一個新的太空時代的前沿，韋布望遠鏡是我們邁向更有能力的太空文明的一個里程碑。作為一個能夠逃離地球重力的物種，這只是半個多世紀(jì)人類尚且短暫的航天時代里眾多里程碑之一。

天文學(xué)家一直追求著用 “沒有最大只有更大” 的望遠鏡來收集微弱的、來自宇宙早期最遙遠的恒星、星系和類星體的光，有時候還想把將明亮恒星的光切割得非常精細，以尋找小行星和地外行星的微小特征。我們從來不希望技術(shù)限制我們獲得渴望的東西。歷史上很多技術(shù)正是因為這樣沒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的現(xiàn)實麻煩。人類研究宇宙的望遠鏡的建造費用的增長速度遠遠快于它們所依賴的全球經(jīng)濟的發(fā)展速度。我們只有想辦法降低項目的成本，才能讓人類探索宇宙的步伐繼續(xù)充滿活力。

圖4 類星體概念圖 圖源：NASA 

我們需要為下一代望遠鏡再等待30年嗎？

韋布早期的概念設(shè)計在哈勃太空望遠鏡發(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)家早已明確了下個十年要發(fā)射的大型太空望遠鏡。例如，X射線望遠鏡Athena被選為ESA的第二個大型飛行任務(wù)。它的預(yù)定發(fā)射日期是2028年。在美國，一個比韋布口徑大一倍的望遠鏡早在幾年前已經(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)計最早的發(fā)射日期是2035年（大概率也會推遲）。為什么天文學(xué)家要提前這么長時間計劃，提前20年甚至更早呢？天文學(xué)家只是熱衷于延遲滿足嗎？漫長的時間尺度背后還有更深層次的原因。

天文學(xué)家設(shè)計一代新的太空望遠鏡，是因為總是需要更多的光（更高的靈敏度）來辨別上一代設(shè)備發(fā)現(xiàn)的天體是什么，甚至揭開它們背后的物理機制。要想有認知上的進步，需要在至少一項指標(biāo)能力上有數(shù)量級的飛躍，不然提出的項目基本沒有獲得政府批準(zhǔn)的機會。

在過去的幾十年里，在電磁波譜每一個波段的望遠鏡都從小型探測設(shè)備發(fā)展到了大型天文臺。這些旗艦級任務(wù)（比如韋布）成本巨大，從構(gòu)思到發(fā)射需要數(shù)十年時間。

例如，哈勃望遠鏡的原型是在紫外線下觀測宇宙的太空望遠鏡（因為紫外線不能穿過我們的大氣層）——哥白尼軌道天文臺和國際紫外線探測器（IUE），分別攜帶80厘米和45厘米直徑的鏡子。而升級版的太空望遠鏡哈勃有一個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的）則有一個6.5米的望遠鏡，幾乎是哈勃的三倍。而計劃在2035年后發(fā)射的新一代旗艦級望遠鏡可能達到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，或者說以鏡面面積乘以10左右的跳躍增長，其增長趨勢是指數(shù)級的。

問題是，更大的望遠鏡成本更高，容易面臨項目資金不足而取消的風(fēng)險。一個例子是，在過去30年的過程中，X射線天文學(xué)獲得了100萬倍的探測靈敏度的提升，這是巨大的技術(shù)進步，對天體物理學(xué)產(chǎn)生了深遠的影響。但是建造這些太空望遠鏡的（經(jīng)過通貨膨脹修正的）費用在30年中增加了大約20倍，年增長率達10%。顯然，天文學(xué)發(fā)展所需的項目資金規(guī)模的高速增長率是不可持續(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超出政府的承受能力，這也是實驗粒子物理學(xué)在幾十年前遇到了資金障礙的本質(zhì)原因，曾經(jīng)的超級對撞機當(dāng)時已經(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了預(yù)算而被取消。

韋布望遠鏡成本不斷翻倍的增長導(dǎo)致該項目多次面臨取消的威脅。韋布在2001年縮小了原先的設(shè)計并在2011年重新規(guī)劃，避免了被取消的命運。

目前，美國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鏡。也就是說，約20年才能實施一次韋布這樣旗艦級別的太空望遠鏡項目。寬視場紅外望遠鏡（羅曼空間天文臺）預(yù)計2025年左右發(fā)射，而到2035-2040年，我們才可以期待下一代的10米級太空望遠鏡。

另一個問題是，將雞蛋都放在大型望遠鏡這一個籃子里也有巨大的風(fēng)險?，F(xiàn)代天體物理學(xué)的快速發(fā)展，實際上不僅僅依靠一個大口徑的望遠鏡，而是依賴于同時能夠開展整個電磁波譜的天文觀測系統(tǒng)能力的提升。恒星、星系、類星體、行星，我們可以做到無視地球大氣層的天然屏障，不斷突破我們技術(shù)的局限性，在太空中探測幾乎所有波長的光，從無線電和紅外到光學(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題的全貌，跨越波段的望遠鏡之間的協(xié)同工作無疑是我們處于天文學(xué)黃金時代的主要原因。

如韋布一樣單一的大型科學(xué)任務(wù)對項目來說是一種巨大的風(fēng)險：

一擁而上依靠一臺太空望遠鏡、爭搶珍貴觀測時間的天文學(xué)家們會感受到巨大的壓力，選擇什么科學(xué)問題和研究方法一定要跟上當(dāng)前的 “時尚”，另辟蹊徑的想法往往不會被鼓勵，因為決策如何使用珍貴設(shè)備的專家往往會限制創(chuàng)造性的新方法，這很難避免。

比如系外行星的發(fā)現(xiàn)是一個很好的例子，一個小團隊天文學(xué)家走不同尋常的道路，導(dǎo)致了大多數(shù)天文學(xué)家完全沒有預(yù)料到的新科學(xué)的爆炸。很多時候很難比較兩個科學(xué)目標(biāo)哪個更有價值，那么我們不如用便宜的手段實現(xiàn)多個目標(biāo)的同步發(fā)展。

未來20年太空資源的商業(yè)化開發(fā)將極大提升我們探索宇宙的“性價比”

那么我們?nèi)绾螢樘祗w物理學(xué)和行星科學(xué)設(shè)想一個更大的、開放的、有吸引力的未來呢？

我認為，答案在于太空資源的商業(yè)探索與利用。這看起來似乎沒有直接聯(lián)系。天文學(xué)家正為未來20年的時間尺度開展任務(wù)規(guī)劃，但還沒有充分意識到未來20年商業(yè)太空活動的重大變化和可能機會。

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)活動都天然地有降低成本的巨大壓力一樣，為了利潤最大化，商業(yè)航天也不例外。

天文學(xué)和行星科學(xué)可以利用這個方式節(jié)約成本。一個經(jīng)驗法則是，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、快速的在軌測試；（5）成本效益高的服務(wù)。

試想如果發(fā)射成本降低10倍，對于目前在太空中的大多數(shù)主要空間天文臺來說，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)有效探測載荷，對天文學(xué)家來說，利用發(fā)射和航天器上節(jié)省的經(jīng)費來建造更加強大的科學(xué)有效載荷極具誘惑。望遠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)備或許無法很快通過找到大量應(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)計標(biāo)準(zhǔn)放寬而降低成本，或是通過低成本的在軌飛行機會開展在軌儀器測試和迭代，加速大型任務(wù)科學(xué)有效載荷的開發(fā)，提高可靠性，并降低成本。這可以促使更先進的儀器更早實現(xiàn)可靠的應(yīng)用。

由于商業(yè)航天的發(fā)展，性價比高的低地球軌道（LEO）在軌服務(wù)很快將變得經(jīng)濟可行。太空望遠鏡在軌服務(wù)的價值是公認的，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目。隨后的任務(wù)用一些參數(shù)優(yōu)于幾個數(shù)量級的新器件取代了原始儀器，并通過更換發(fā)生故障的關(guān)鍵部件（包括陀螺儀和電池）和將哈勃推進到更高的軌道來延長哈勃的壽命。然而，哈勃望遠鏡維修任務(wù)的成本太高，以至于兩個后續(xù)的旗艦級天文臺被故意安置在無法維修的軌道上。就錢德拉X射線望遠鏡而言，為了防止維修，故意選擇了一個高度橢圓的軌道，以降低方案發(fā)射后的維護成本，避免項目被砍掉。斯皮策紅外天文望遠鏡被送入一個新的太陽漂移軌道。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” 的同時減少攜帶推進劑。這一變化通過降低發(fā)射要求大大降低了任務(wù)成本，才使任務(wù)獲得批準(zhǔn)。

通過低成本的方式讓維修人員進入低地球軌道，在軌服務(wù)可以重新成為太空望遠鏡任務(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)險抵抗能力，從而降低成本。在軌服務(wù)還可以鼓勵愿意冒險的部分系統(tǒng)選擇安裝更先進的探測儀器，不需要為了非常高的安全性而犧牲儀器的性能。萬一儀器出現(xiàn)故障雖然會成為一個麻煩，但不至于終結(jié)任務(wù)。

對未來的太空望遠鏡來說，在軌部署將越來越必要。韋布發(fā)射器整流罩目前直徑約為5米，未來的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）整流罩將達到10米。為了建造天文學(xué)家需要的更大的望遠鏡，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較小的望遠鏡。在軌組裝可以完成更長的磁力計，更大的通信天線，太陽能電池板陣列也可以使用在軌組件來支持任務(wù)的能源需要。

在軌加注也讓航天器更高效地飛向太陽系內(nèi)的其他天體成為可能。不久的未來，月球或小行星采礦作業(yè)將開發(fā)類似的在軌組裝能力，比如從1萬噸或更大的小行星中提取成百上千噸的水。一個有足夠能力的采礦航天器，能夠處理這些跟國際空間站的質(zhì)量相當(dāng)?shù)奈镔Y，而這個過程幾乎肯定會涉及在軌組裝。而在20年代中期預(yù)計較小規(guī)模的小行星采礦航天器就將開始實驗性工作，這至少是中國第一家太空資源開發(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)射了世界上第一個商業(yè)太空望遠鏡，也是中國首臺光學(xué)、紫外雙波段工作的空間望遠鏡。（編者注：本文作者為起源太空創(chuàng)始人）

科學(xué)是太空經(jīng)濟發(fā)展最直接的受益者

毫無疑問，科學(xué)是人類太空時代的主要受益者。自從第二顆和第三顆人造地球衛(wèi)星（即1957年的Sputnik 2號和次年的Explorer-1號）發(fā)現(xiàn)了地球的輻射帶以來，人類對于宇宙的認知從運行于整個太陽系的科學(xué)衛(wèi)星與遠行的航天活動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)的第三個十年開始的時候，我們需要清醒地意識到，如果人類沒有能力進入太空，我們對宇宙的認識將是多么有限。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)雜的同時降低成本，量級式地提升未來實際能夠執(zhí)行的太空探索活動的性價比，從而不會限制未來的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機會。避免這種困境的一個辦法，也許是唯一的辦法，是充分利用為商業(yè)目的發(fā)展起來的太空經(jīng)濟活動。為了人類的可持續(xù)發(fā)展，任何未來的太空經(jīng)濟，無論是商業(yè)衛(wèi)星運營、太空旅游、月球和小行星采礦，都將越來越依賴于利用太陽系的能源和物質(zhì)資源。

在過去的30年里，民營化商業(yè)化的航天模式的出現(xiàn)讓更低成本來開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)有三家美國商業(yè)航天公司多次成功將普通人送上太空，未來在低地球軌道上的活動可能會隨著私人運營的 “太空客車” 的發(fā)展而快速增長，這些客車既用于旅游，也用于為商業(yè)運營的微重力研究實驗室提供服務(wù)，比如生物技術(shù)公司很可能是這些實驗室的主要客戶。與此同時，太空科學(xué)觀測站的在軌服務(wù)可以以合理的成本完成。更加經(jīng)濟的月球著陸器和 “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。這些新的機會匯總在一起，讓下一代旗艦任務(wù)可能成本只是目前數(shù)十億美元價格標(biāo)簽的一小部分。然后，我們可以擁有一個完整的匹配的 “大天文臺組網(wǎng)”，跨越整個電磁光譜，甚至包括引力波探測都不是沒有可能。

就像地球上的望遠鏡建設(shè)依賴于商業(yè)建筑行業(yè)的可用性，未來的大型太空望遠鏡將依賴于太空商業(yè)活動，如建設(shè)軌道酒店或太空中運行的太陽能發(fā)電站?？茖W(xué)尤其將受益于用來支持經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與開發(fā)，這將有助于促進大型太空望遠鏡的建設(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鏡，深入研究大范圍的太陽系小天體，更便宜和更有能力的機器人到外行星執(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候在火星上建立科學(xué)研究站。一旦太空經(jīng)濟建立起來，它可能會以指數(shù)形式增長，到時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驗室執(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Bruno Rossi Prize 最年輕得主，研究工作入選美國物理學(xué)會評選的“世界十大物理學(xué)進展”、《天文學(xué)》雜志評選的年度十大天文學(xué)進展等。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，行星科學(xué)與深空探測，高能天體物理與引力波探測等。參與國內(nèi)外多個空間科學(xué)探測項目，包括南極宇宙微波背景輻射望遠鏡，我國首顆空間天文衛(wèi)星“暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星”，在我國西藏阿里地區(qū)建設(shè)世界上海拔最高的天文望遠鏡，尋找宇宙大爆炸時期產(chǎn)生的“原初引力波”等。他同時積極開拓全球商業(yè)航天領(lǐng)域的“中國機會”，推動太空資源的開發(fā)與利用。