人類還需要三十年和百億美金才能發射下一個韋布嗎？| 巡天報告

詹姆斯·韋布望遠鏡模型圖|圖源：NASA

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編者按
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○ 2021年剛過去的聖誕節，經曆三十多年建造、耗資百億美元的詹姆斯·韋布望遠鏡終于發射升空。六個月後，它将在遙遠的軌道上部署完畢，開始工作。 這台開啟新時代的太空望遠鏡有哪些特别之處？天體物理學家蘇萌在這次的巡天報告中詳細解讀了韋布的設計，并暢想了韋布之後太空望遠鏡和天文學的未來。（注：天文學名詞審定委員會采納詹姆斯·韋布作為James Webb的譯名，以與Webber的翻譯韋伯區别，因此以此譯名為準。）

撰文 | 蘇萌

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宇宙大爆炸幾千萬年後，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生，引力勢能開始轉化為輻射。此時，大質量的恒星們發出的高能量紫外光子暢通無阻地穿過廣袤的宇宙，在130多億年後到達地球附近——長途跋涉後疲憊不堪的紫外光子已經 “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範圍。

然而，順利的話，隻要幾個月之後，這些光子中的幸運兒即将被人類曆史上迄今為止最龐大、最複雜的太空望遠鏡捕獲。這台望遠鏡就是詹姆斯·韋布望遠鏡。

韋布望遠鏡将給人類帶來第一次對早期宇宙天體結構的詳細考察。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，未來十年韋布将一次又一次地改進甚至颠覆天文學家今天的認知。

1

最龐大、最複雜的太空望遠鏡：

後“韋布”時代到來

過去的三十年時間裡，韋布望遠鏡不斷消耗着美國航天局（NASA）有限的預算，總支出占到NASA對整個天體物理學科領域預算的四分之一左右，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衆矚目之下搭載着歐洲航天局（ESA）重型運載火箭阿利亞娜五型火箭成功發射，奔向150萬公裡遠的第二拉格朗日點。不知道全世界多少的天文學家、物理學家和天文愛好者們在聖誕節緊張而興奮地看着這枚火箭攜帶着代表人類太空科技最前沿的傑作升空。

圖1載着詹姆斯·韋布望遠鏡的阿麗亞娜5型火箭整裝待發|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，建造它所需的技術組合毋庸置疑是超越時代的，包括探測器系統、機電系統、冷卻系統、光學系統和遮陽闆等等。這不僅僅是數千位工程師和科學家幾十年工作的結果（據說達到了4千萬工時的工作量），某種意義上講，更是人類科技發展數百年的材料、工程技術的反複沉澱，才讓這樣的項目在今天成為可能。韋布的發射是人類探索宇宙曆史上的一個重要裡程碑。

人們用80後，90後，00後這樣的時代标簽來描述一代又一代的人。我覺得天文學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）發射的，“90後” 或者說 “哈勃後” 是天文學發展的一個時代印記。今天韋布的發射應該會開啟一段新 “韋布後” 時代。作為一名天文學工作者，看着法屬圭亞那發射場的倒計時牌，内心是無比激動的。

圖2 韋布望遠鏡升空|圖源：NASA/Bill Ingalls

2

紅外，制冷，和遙遠的L2

韋布望遠鏡不像哈勃望遠鏡一樣，在距離地球數百公裡的軌道上繞地球運行，而是在相較數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，允許衛星坐在相對穩定的位置，同時使用最少的燃料留在那裡，相對容易地保持在一定空間範圍内工作（并不是一個點，而是一個區域）。

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，适合太陽觀測衛星。然而，韋布望遠鏡的工作性質要求它盡可能避免來自太陽的光線，因為它是一台紅外波段（0.6至28.3微米）的太空望遠鏡。

大家都知道，熱的東西會産生紅外線，比如夜晚，我們可以通過紅外夜視儀看到發熱的東西。而從太陽發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，那麼望遠鏡會在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計——韋布望遠鏡的一個重要特征就是背上背着一個巨大的 “護盾”，像烏龜一樣，或者更準确的說，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。按照設計要求，穿過遮陽傘洩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，那就隻剩下熱傳導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，而且在一定溫度範圍内能保持尺寸穩定并具有反射性。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。每一層同時塗有100納米厚的鋁塗層，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。每一層之間的空隙變成輻射向外洩露的空間，确保每一層逐漸降低溫度，從而保護儀器艙中的關鍵部件。

阻擋熱量隻是挑戰之一。為了裝在阿利亞娜五型火箭的整流罩裡，韋布的遮陽傘在發射前必須折疊 “瘦身”，因此必須設計一些難以置信的複雜力學結構，來确保它正确展開。

膜和電纜這些柔性結構的部署，在動力學上幾乎無法計算，控制這些幾乎不确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，隻有當你真的使用它的時候，你才知道它是否正确地折疊了。

韋布遮陽傘的展開過程将在發射後幾天開始。在太陽能帆闆和通訊天線等常規組件展開後，真正令人神經緊張的部署過程将從第七天開始——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卷起遮陽傘，直到精确部署至完整的形狀，整個過程将需要三天時間。一旦完成，光學組件将展開到位并鎖定。

網球場大小的遮陽傘被微隕石擊中的可能性相當高。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緻整個遮陽傘撕裂。為了防止這種情況發生，纖維膠帶被縫合進遮陽傘，将可能的損害限制在局部，而不破壞結構整體的完整性。

遮陽傘的薄膜還經過精心模制，帶有波紋和其他形狀，以加強結構和屏蔽功能。這種被動制冷的方式非常有幫助。确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境才能有效的工作——7開爾文。為此，韋布在被動制冷的基礎上還需要主動冷卻。韋布望遠鏡帶有一個創新設計的低溫冷卻器，花費了一億五千萬美元。冷卻器需要盡量減少功耗，因為韋布隻有由太陽能電池陣列提供的兩千瓦供電能力，實現超低溫環境的同時，還需要避免各種運動部件振動産生的影響，因為望遠鏡哪怕最微小的抖動都可能導緻最後經過長時間曝光的圖像變得模糊。

3

精密可調節的大金鏡子

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，那麼它為什麼被設計成這樣呢？

韋布的主鏡需要在L2點運行時保持極其精确的形狀，不能随着溫度變化劇烈變形，而且質量要非常輕才能滿足發射到L2點的需要。這塊光鮮亮麗的主鏡是鍍金的铍結構。铍是一種獨特且昂貴的材料，它是一種輕質金屬，原子序數是四，它比傳統的鏡面材料石英玻璃輕得多。铍更有能力應對低溫環境，保持鏡面的形狀，不會收縮得太厲害。雖然铍比鋼更容易斷裂，但在實際斷裂之前更難變形，铍的硬度是鋼的六倍，使它成為完美主鏡結構的建造材料。

然而，铍并不反光，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秀。同時，金元素化學屬性非常不活潑，可以确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發生反應。鍍金塗層隻有0.1微米厚，覆蓋在抛光的铍表面上，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，但實際隻使用了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，據說已經超過150噸黃金的價值了。

話說回來，為什麼需要這麼大的鏡面呢？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十倍。即便大如韋布，從那些暗弱的天體發出的光子我們每秒大約隻能收集一個，對，隻有一個光子。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。

實際上天文學家希望鏡子更大，但是在發射成本和整流罩内有限空間的限制下，6.5米的主鏡已經是最大限度優化可用資源的結果。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校的。我們知道，當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系統有問題——鏡子的邊緣被磨得太平了，隻差了2000納米，大約是人類頭發的厚度的50分之一，但是這足以導緻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計成可以維修的，在其整個生命周期中，采用模塊化設備隔間，允許拆卸和更換舊設備。

為了糾正這個問題，工程師在哈勃的其中一個設備底座安裝了校正光學器件，就像給這個數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，設計了一個能夠調整焦點的機械系統。

十八個獨立的鏡子中的每一個都可以扭曲其鏡面形狀，并調整其像斑到相對于位于主鏡焦點的次鏡的位置。在铍反射鏡後側有一個背闆支撐和電機系統，不僅可以調節鏡子的轉動，還可以調節中心電機來改變它們的曲率，從而調整鏡子的焦點。

這個技術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，望遠鏡将開始其校準程序。随着每個反射鏡自身調整，直到十八個分鏡中的每一個都與次級反射鏡正确對齊。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整它的位置。這些電機和控制系統非常精确，鏡子可以以優于探測波長的精度來調整它們的位置。

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。主次鏡将光線聚焦到位于光學子系統内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構内，以有效阻止周圍的光線進入光圈範圍。這個結構内部有一面精細的轉向鏡。這個東西大概是世界上最貴的圖像穩定工具。它的工作是将觀測目标保持在視野的中心，每64毫秒它将向姿态控制系統發送信号，以确保望遠鏡保持在觀測目标上。這種姿态控制是通過位于遮陽罩下方的衛星平台内部六個反作用輪的組合來完成的。這面鏡子不斷調整自己的方向，以确保望遠鏡的目标在最終的探測傳感器上保持穩定。

韋布的工程師用一個巨大的地面真空室進行校準和測試，室内冷卻到與韋布在太空運行相同的溫度，确保能夠實現這樣的調焦能力。

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複指向的需求，韋布的壽命估計在5-10年，最終燃料将耗盡。但是有傳言說，美國宇航局正在開發新技術，在韋布失去動力前，前往遙遠的L2點給它加油。我相信十年後給航天器在軌加注的機器人将具備這樣的能力。

4

或許這是最後一台在地球上建造的、超過百億美元的太空望遠鏡

為什麼這麼說呢，韋布是因為遠超預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将在太空中就位建造。

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。随着航天技術的發展，尤其是商業航天快速的技術叠代，我們應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，在太空中調整它們，然後在太空中部署它們。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裡程碑。作為一個能夠逃離地球重力的物種，這隻是半個多世紀人類尚且短暫的航天時代裡衆多裡程碑之一。

天文學家一直追求着用 “沒有最大隻有更大” 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，有時候還想把将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限制我們獲得渴望的東西。曆史上很多技術正是因為這樣沒有邊界的探索欲被不斷催生。但是我們今天的确遇到了必須面對的現實麻煩。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濟的發展速度。我們隻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充滿活力。

圖4類星體概念圖圖源：NASA

5

我們需要為下一代望遠鏡再等待30年嗎？

韋布早期的概念設計在哈勃太空望遠鏡發射之前就已經提出，三十多年後的今天才最終被發射上天。天文學家早已明确了下個十年要發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。它的預定發射日期是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被數百位天文學家聯合提出，如果獲得批準，預計最早的發射日期是2035年（大概率也會推遲）。為什麼天文學家要提前這麼長時間計劃，提前20年甚至更早呢？天文學家隻是熱衷于延遲滿足嗎？漫長的時間尺度背後還有更深層次的原因。

天文學家設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）來辨别上一代設備發現的天體是什麼，甚至揭開它們背後的物理機制。要想有認知上的進步，需要在至少一項指标能力上有數量級的飛躍，不然提出的項目基本沒有獲得政府批準的機會。

在過去的幾十年裡，在電磁波譜每一個波段的望遠鏡都從小型探測設備發展到了大型天文台。這些旗艦級任務（比如韋布）成本巨大，從構思到發射需要數十年時間。

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）——哥白尼軌道天文台和國際紫外線探測器（IUE），分别攜帶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年後發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險。一個例子是，在過去30年的過程中，X射線天文學獲得了100萬倍的探測靈敏度的提升，這是巨大的技術進步，對天體物理學産生了深遠的影響。但是建造這些太空望遠鏡的（經過通貨膨脹修正的）費用在30年中增加了大約20倍，年增長率達10%。顯然，天文學發展所需的項目資金規模的高速增長率是不可持續的，指數上升曲線變得幾乎垂直。按照這樣的發展速度，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在幾十年前遇到了資金障礙的本質原因，曾經的超級對撞機當時已經在德克薩斯州建造了很久，消耗了數十億美金的投入，但是最終還是由于超過了預算而被取消。

韋布望遠鏡成本不斷翻倍的增長導緻該項目多次面臨取消的威脅。韋布在2001年縮小了原先的設計并在2011年重新規劃，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别的太空望遠鏡項目。寬視場紅外望遠鏡（羅曼空間天文台）預計2025年左右發射，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，将雞蛋都放在大型望遠鏡這一個籃子裡也有巨大的風險。現代天體物理學的快速發展，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、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同工作無疑是我們處于天文學黃金時代的主要原因。

如韋布一樣單一的大型科學任務對項目來說是一種巨大的風險：

1 如果失敗，沒有備份； 2 一項任務的科學不可能跨越整個領域的要求，否則我們現在擁有的多波段觀測的協同作用将會喪失； 3 空間望遠鏡的多樣性也有利于這個領域的智力和活力。如果所有天文學家隻用一台望遠鏡，這将限制他們科學想象力的廣度。

一擁而上依靠一台太空望遠鏡、争搶珍貴觀測時間的天文學家們會感受到巨大的壓力，選擇什麼科學問題和研究方法一定要跟上當前的 “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備的專家往往會限制創造性的新方法，這很難避免。

比如系外行星的發現是一個很好的例子，一個小團隊天文學家走不同尋常的道路，導緻了大多數天文學家完全沒有預料到的新科學的爆炸。很多時候很難比較兩個科學目标哪個更有價值，那麼我們不如用便宜的手段實現多個目标的同步發展。

6

未來20年太空資源的商業化開發将極大提升我們探索宇宙的“性價比”

那麼我們如何為天體物理學和行星科學設想一個更大的、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探索與利用。這看起來似乎沒有直接聯系。天文學家正為未來20年的時間尺度開展任務規劃，但還沒有充分意識到未來20年商業太空活動的重大變化和可能機會。

我們大多數人都知道SpaceX及其可重複使用的火箭，但也許除此之外知道的就不多了。讓我們着眼于未來20年左右的商業航天的發展，看看這些新的維度的快速發展對天體物理學和行星科學規劃的影響。就像所有的商業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，商業航天也不例外。

天文學和行星科學可以利用這個方式節約成本。一個經驗法則是，發射和科學有效載荷各自消耗大約四分之一的任務預算（直到發射），而航天器消耗大約一半。商業航天近期将在五個領域産生變化：（1）降低發射成本；（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。

試想如果發射成本降低10倍，對于目前在太空中的大多數主要空間天文台來說，衛星的成本大約是一半。将航天器成本降低2倍，發射成本降低3倍，将使這些旗艦級任務的成本大緻減半。這将從根本上改變旗艦任務的決定流程和規劃方式，使每十年可以發射的大型空間天文設備數量翻一番。

另外就是科學有效探測載荷，對天文學家來說，利用發射和航天器上節省的經費來建造更加強大的科學有效載荷極具誘惑。望遠鏡反射鏡和其他光學設備、傳感器和前置放大器電子設備等專用設備或許無法很快通過找到大量應用而降低成本，但其他組件，包括結構、電源、熱控制、後端電子學和數據處理，可以受益于與航天器本身相同的設計标準放寬而降低成本，或是通過低成本的在軌飛行機會開展在軌儀器測試和叠代，加速大型任務科學有效載荷的開發，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可靠的應用。

由于商業航天的發展，性價比高的低地球軌道（LEO）在軌服務很快将變得經濟可行。太空望遠鏡在軌服務的價值是公認的，比如哈勃五次成功的在軌服務，包括最著名的第一次任務，修正了主鏡的像差，真正的拯救了哈勃項目。随後的任務用一些參數優于幾個數量級的新器件取代了原始儀器，并通過更換發生故障的關鍵部件（包括陀螺儀和電池）和将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的成本太高，以至于兩個後續的旗艦級天文台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，以降低方案發射後的維護成本，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 “冷任務壽命” 的同時減少攜帶推進劑。這一變化通過降低發射要求大大降低了任務成本，才使任務獲得批準。

通過低成本的方式讓維修人員進入低地球軌道，在軌服務可以重新成為太空望遠鏡任務的正常組成部分。比如更換發生故障的系統可以提高風險抵抗能力，從而降低成本。在軌服務還可以鼓勵願意冒險的部分系統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。萬一儀器出現故障雖然會成為一個麻煩，但不至于終結任務。

對未來的太空望遠鏡來說，在軌部署将越來越必要。韋布發射器整流罩目前直徑約為5米，未來的太空發射系統（SLS）整流罩将達到10米。為了建造天文學家需要的更大的望遠鏡，我們将需要發展在軌組裝的能力。例如，任何版本的行星成像儀幹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，太陽能電池闆陣列也可以使用在軌組件來支持任務的能源需要。

在軌加注也讓航天器更高效地飛向太陽系内的其他天體成為可能。不久的未來，月球或小行星采礦作業将開發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量相當的物資，而這個過程幾乎肯定會涉及在軌組裝。而在20年代中期預計較小規模的小行星采礦航天器就将開始實驗性工作，這至少是中國第一家太空資源開發與利用的商業公司 “起源太空（Origin Space）” 的規劃。起源太空已經發射了世界上第一個商業太空望遠鏡，也是中國首台光學、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始人）

7

科學是太空經濟發展最直接的受益者

毫無疑問，科學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星（即1957年的Sputnik 2号和次年的Explorer-1号）發現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衛星與遠行的航天活動中源源不斷地湧向地球。

天體物理學和行星科學等主要學科經曆了範式性的變化——天文觀測的能力不再受到大氣層的幹擾而能夠覆蓋全波譜。在21世紀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，我們對宇宙的認識将是多麼有限。要想維持當前的科學發現率，必須在空間任務變得愈加複雜的同時降低成本，量級式地提升未來實際能夠執行的太空探索活動的性價比，從而不會限制未來的科學發現的機會。避免這種困境的一個辦法，也許是唯一的辦法，是充分利用為商業目的發展起來的太空經濟活動。為了人類的可持續發展，任何未來的太空經濟，無論是商業衛星運營、太空旅遊、月球和小行星采礦，都将越來越依賴于利用太陽系的能源和物質資源。

在過去的30年裡，民營化商業化的航天模式的出現讓更低成本來開展太空探索成為可能。更低的發射成本将導緻更大、更便宜的 “現成” 航天器。2021年已經有三家美國商業航天公司多次成功将普通人送上太空，未來在低地球軌道上的活動可能會随着私人運營的 “太空客車” 的發展而快速增長，這些客車既用于旅遊，也用于為商業運營的微重力研究實驗室提供服務，比如生物技術公司很可能是這些實驗室的主要客戶。與此同時，太空科學觀測站的在軌服務可以以合理的成本完成。更加經濟的月球着陸器和 “行星際微小衛星” 可以為行星科學的探索提供一種新的高效手段。這些新的機會彙總在一起，讓下一代旗艦任務可能成本隻是目前數十億美元價格标簽的一小部分。然後，我們可以擁有一個完整的匹配的 “大天文台組網”，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依賴于商業建築行業的可用性，未來的大型太空望遠鏡将依賴于太空商業活動，如建設軌道酒店或太空中運行的太陽能發電站。科學尤其将受益于用來支持經濟發展的基礎設施的建設與開發，這将有助于促進大型太空望遠鏡的建設，也包括建立在月球和小行星上建設科研站，以及越來越多的雄心勃勃的太空科學探索任務。我們将有能力低成本建造大型太空望遠鏡，深入研究大範圍的太陽系小天體，更便宜和更有能力的機器人到外行星執行任務，以及在月球上建立科學研究站，并在适當的時候在火星上建立科學研究站。一旦太空經濟建立起來，它可能會以指數形式增長，到時候更加雄心勃勃的天文探索的目标将不再是天方夜譚。

制版編輯|盧卡斯

END