史上最大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡——韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于被發(fā)射升空。耗資超百億美元，研制二十五年，韋布究竟有什么強(qiáng)大的本領(lǐng)，能夠揭開(kāi)什么秘密？本文帶你了解韋布的特點(diǎn)，攜帶設(shè)備以及觀測(cè)目標(biāo)。韋布將在其漫漫征程中，有力地深化人類對(duì)于宇宙的了解。

撰文 | 王善欽

法屬圭亞那當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021年12月25日9點(diǎn)20分，即今天北京時(shí)間20點(diǎn)20分，舉世矚目的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那空間中心成功搭乘阿麗亞娜5號(hào)（Ariane 5）運(yùn)載火箭升空。[1]

阿麗亞娜火箭帶著韋布升空?qǐng)D。Credit：NASA/ESA/CSA

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡為James Webb Space Telescope（JWST）的標(biāo)準(zhǔn)中文翻譯，以下我們簡(jiǎn)稱其為“韋布”。韋布原名為“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”（NGST），為紀(jì)念詹姆斯·韋布（James E. Webb，1906-1992），相關(guān)機(jī)構(gòu)于2002年將其改為現(xiàn)名。詹姆斯·韋布在1961-1968年擔(dān)任美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的第二任局長(zhǎng)，在其任職期間推進(jìn)了著名的阿波羅登月計(jì)劃。

從1996年形成概念到今天發(fā)射，韋布望遠(yuǎn)鏡的論證與研發(fā)歷經(jīng)25年時(shí)間，期間相關(guān)部門多次推遲預(yù)計(jì)的發(fā)射時(shí)間，預(yù)算也隨之不斷瘋狂膨脹。到發(fā)射前，它耗資已超100億美元。經(jīng)歷無(wú)數(shù)艱辛與苦難，韋布望遠(yuǎn)鏡終于被發(fā)射升空，開(kāi)始了它的漫漫征程。

在這篇短文中，我們將簡(jiǎn)單介紹這個(gè)旗艦級(jí)的偉大望遠(yuǎn)鏡的特點(diǎn)、儀器與觀測(cè)目標(biāo)。

至今為止最大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡

韋布是至今為止最大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，其口徑達(dá)到6.5米。作為對(duì)比，31年前升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱“哈勃”）與預(yù)計(jì)在2025年升空的羅曼空間望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱“羅曼”）的口徑都是2.4米（參見(jiàn)《100個(gè)哈勃：羅曼空間望遠(yuǎn)鏡有多強(qiáng)？》）；2009-2013年之間運(yùn)行的赫歇爾空間望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱“赫歇爾”）的口徑則為3.5米。

成人身高、哈勃口徑與韋布口徑的比較。Credit：NASA

與哈勃、羅曼、赫歇爾不同的是，韋布的主鏡面是由18塊正六邊形鏡面拼接而成的：每塊鏡面的邊長(zhǎng)約為0.75米，面積約為1.4平方米，18塊鏡面的總面積為25.4平方米，拼接成直徑約為6.5米的鏡面。

韋布的采光面積比哈勃的大得多，但其鏡片的重量卻只有哈勃的一半，這首先因?yàn)轫f布的主鏡面用密度低的鈹制成——就是初中化學(xué)就要背誦的“氫氦鋰鈹硼”中的“鈹”。鈹?shù)拿芏葍H為水的密度的1.85倍。其次，韋布鏡坯背面大部分被挖空，這進(jìn)一步降低了它的重量。

為了使鏡片能夠反射光，大部分望遠(yuǎn)鏡都需要在鏡片上鍍一層反射能力強(qiáng)的金屬。韋布上面鍍的是 “土豪金”，這使得韋布的鏡面看上去金光閃閃。黃金可以反射99%的紅外線，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。這些黃金涂層厚度僅為100納米（0.1微米），總質(zhì)量?jī)H48克。

韋布的主鏡面拼接塊之一，上面鍍著厚度只有100納米厚的黃金。這層黃金膜將增強(qiáng)鏡面的反射率。Credit：NASA/Drew Noel

韋布的鏡面不僅是拼接式的，還是折疊式的。因?yàn)樗鼘?shí)在太大了，無(wú)法被裝入發(fā)射它的火箭的內(nèi)部。為此，工程師們將其設(shè)計(jì)為折疊傘一樣的望遠(yuǎn)鏡，先將主鏡面與其他所有構(gòu)件盡量折疊，等它進(jìn)入軌道之后，再通過(guò)地面遙控的方式，將這些構(gòu)件逐一展開(kāi)。

測(cè)試完畢之后被折疊起來(lái)的韋布。Credit：NASA/Chris Gunn

由于其龐大的體量，即使被折疊起來(lái)，韋布依然高達(dá)10.66米，寬達(dá)4.5米。阿麗亞娜5號(hào)火箭的整流罩的高度為17米，直徑為5.4米，二者完美匹配——這不奇怪，科學(xué)家和工程師們就是以“能夠?qū)㈨f布裝進(jìn)這款火箭”為目標(biāo)，來(lái)設(shè)計(jì)折疊方案的。

2021年12月23日，裝載韋布的阿麗亞娜5號(hào)火箭正在等待發(fā)射。Credit：NASA/Bill Ingalls

可以看到更暗的天體，但未必比哈勃更敏銳

由于韋布的采光面積比哈勃大得多，一樣的曝光時(shí)間內(nèi)，韋布可以觀測(cè)到比哈勃觀測(cè)到的最暗的物體更暗10-100倍的天體。

韋布的大口徑除了會(huì)使它更快搜集到遙遠(yuǎn)、暗弱天體發(fā)出的光之外，還可以確保其有足夠高的分辨率。因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的分辨率與口徑成正比，與接收的輻射的波長(zhǎng)成反比。相比哈勃，韋布大部分時(shí)候觀測(cè)的波長(zhǎng)比哈勃觀測(cè)極限波長(zhǎng)更長(zhǎng)，如果鏡面與哈勃一樣大，則其分辨率就低于哈勃的分辨率。

為了盡量克服這個(gè)問(wèn)題，韋布的口徑必須更大。它的口徑是哈勃的大約3倍，當(dāng)它觀測(cè)的波長(zhǎng)為哈勃觀測(cè)波長(zhǎng)的3倍時(shí)，二者的分辨率相等。不過(guò)，由于韋布的觀測(cè)波長(zhǎng)極限是哈勃的的12倍，在大部分情況下，特別是中紅外范圍的情形下，韋布3倍大的口徑還是無(wú)法確保其分辨率可以與哈勃匹敵。所以韋布的官網(wǎng)在回答“韋布的分辨率會(huì)不會(huì)和哈勃一樣好？”這個(gè)問(wèn)題時(shí)，先是給出肯定的回答，然后緊接著說(shuō)“不過(guò)是在近紅外”[2]。

韋布鏡面上的黃金薄膜會(huì)很好地反射紅外線、紅色光與黃色光，但會(huì)吸收藍(lán)紫光與紫外線，這使韋布無(wú)法觀測(cè)近距離天體的藍(lán)紫光與紫外線。

不過(guò)，韋布可以觀測(cè)到足夠遠(yuǎn)的天體發(fā)出的藍(lán)紫光與紫外線，這是因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的可見(jiàn)光與紫外線在膨脹的宇宙中穿行足夠遠(yuǎn)后就被會(huì)被拉長(zhǎng)為紅外線——紅移，從而被韋布探測(cè)到；這就等價(jià)于韋布探測(cè)到了這些遠(yuǎn)距離天體的可見(jiàn)光與紫外線。

因此，韋布觀測(cè)紅光與紅外線時(shí)是正常的眼，在觀測(cè)可見(jiàn)光與紫外線時(shí)則是一個(gè)遠(yuǎn)視眼。

太空中的一錘子買賣

天體發(fā)出的電磁波輻射中的大部分紅外線在到達(dá)地球后會(huì)被地球大氣吸收，為了觀測(cè)到這些紅外輻射，紅外望遠(yuǎn)鏡都必須發(fā)射到太空之中。

按照計(jì)劃，韋布升空后，將用一個(gè)月時(shí)間讓自己抵達(dá)距地球約150萬(wàn)千米處。說(shuō)得更精確一些，韋布將大致圍繞著日-地連線延長(zhǎng)線上、距離地球150萬(wàn)千米的一個(gè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與地球一起繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。這個(gè)點(diǎn)被稱為“日-地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)”。

地球與太陽(yáng)系統(tǒng)的5個(gè)拉格朗日點(diǎn)，分別用1、2、3、4、5表示。圖中黃色表示太陽(yáng)，藍(lán)色表示地球。Credit：Anynobody

必須說(shuō)明的是，第一、第二與第三拉格朗日點(diǎn)實(shí)際上是歐拉（Leonhard Euler， 1707-1783）于1765年研究平面限制性三體運(yùn)動(dòng)期間發(fā)現(xiàn)的。1772年拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange，1736-1813）發(fā)現(xiàn)了第四與第五個(gè)精確解。然而，后人把這五個(gè)精確解對(duì)應(yīng)的位置都打包算到拉格朗日頭上了（歐拉：老夫心里苦，老夫有話說(shuō)，不過(guò)還是算了……）。

Jakob Emanuel Handmann畫的歐拉畫像。Credit：wiki

一部分文章說(shuō)韋布（以及其他很多探測(cè)器）位于日-地系統(tǒng)的第二拉格朗日點(diǎn)，這種說(shuō)法容易引起一定的誤導(dǎo)作用，讓人以為它始終處于日-地延長(zhǎng)線上一個(gè)固定的點(diǎn)。這是不可能的。因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn)處，陽(yáng)光都被地球擋住，會(huì)導(dǎo)致作為電源的電池帆板無(wú)法接收到太陽(yáng)光。更重要的是，第一、第二與第三拉格朗日點(diǎn)在動(dòng)力學(xué)上是不穩(wěn)定的。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，人們讓望遠(yuǎn)鏡或探測(cè)器環(huán)繞著這個(gè)點(diǎn)做異常復(fù)雜的三維軌道運(yùn)動(dòng)[3]，既可以避免不穩(wěn)定問(wèn)題帶來(lái)的無(wú)序運(yùn)動(dòng)，還可以讓其接收到陽(yáng)光。

從韋布升空后大約半小時(shí)開(kāi)始，它將經(jīng)歷幾百個(gè)操作與調(diào)試才可以進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程需要大約6個(gè)月，這期間只要有一個(gè)操作出現(xiàn)障礙，都會(huì)導(dǎo)致韋布死亡。這也正是韋布不斷被延遲發(fā)射的原因之一：人們必須確保萬(wàn)無(wú)一失，才可以獲得成功。

韋布展開(kāi)構(gòu)件的順序：在升空后大約半小時(shí)，太陽(yáng)電池帆板先展開(kāi)，然后進(jìn)行一系列操作，按順序分別是通信天線展開(kāi)，遮陽(yáng)板展開(kāi)，副鏡展開(kāi)，主鏡面展開(kāi)，最后整個(gè)望遠(yuǎn)鏡到達(dá)第二拉格朗日點(diǎn)附近。Credit：NASA

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折疊狀態(tài)的韋布搭載火箭升空后，整流罩打開(kāi)的藝術(shù)想象圖。Credit: ESA –D. Ducros

乘坐航天飛機(jī)的宇航員對(duì)哈勃的幾次維修都轟動(dòng)世界。對(duì)于韋布而言，這種驚險(xiǎn)刺激的景觀不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)樗c地球的距離實(shí)在太大了——是月球與地球的距離（38萬(wàn)千米）的約4倍，是哈勃與地球的距離（570千米）的約2700倍。

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哈勃、月球、韋布與地球的距離示意圖。圖中哈勃與月球的距離比值未按照實(shí)際比例。Credit：NASA

即使現(xiàn)在至未來(lái)十年還有航天飛機(jī)或類似的航天器，要維修這么遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，也是不可能的，更何況世界上已經(jīng)沒(méi)有航天飛機(jī)或類似的載人航天器。如果韋布在運(yùn)行期間出現(xiàn)無(wú)法通過(guò)遠(yuǎn)程控制解決的故障，它就將死在冰冷的太空，成為有史以來(lái)最貴的太空垃圾。

韋布的主要儀器

韋布望遠(yuǎn)鏡質(zhì)量為6161.4千克（6.1614噸），裝在質(zhì)量為350千克的飛船內(nèi)。望遠(yuǎn)鏡脫離火箭并通過(guò)所有調(diào)試后，將用精密導(dǎo)星傳感器定向。天體發(fā)出的輻射被主鏡面反射后進(jìn)入副鏡面，再進(jìn)入各儀器。

韋布的儀器有四個(gè)：近紅外照相機(jī)（NIRCAM）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外設(shè)備（MIRI）與近紅外成像器與無(wú)縫光譜儀（NIRISS）。這些儀器的觀測(cè)波長(zhǎng)可以分為三大類：0.6-0.78微米之間的黃光與紅光、0.78-3微米區(qū)域內(nèi)的近紅外輻射與3-28微米之間的中紅外輻射。注意，中紅外的極限是50微米。（此處的近紅外與中紅外的范圍以 ISO 20473標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。）

〇 近紅外照相機(jī)的觀測(cè)波長(zhǎng)范圍為0.6-5微米。作為對(duì)比，哈勃上面觀測(cè)波長(zhǎng)最長(zhǎng)的NICMOS的觀測(cè)極限是2.4微米。這個(gè)儀器實(shí)際上可以探測(cè)部分可見(jiàn)光與中紅外輻射。

〇 近紅外光譜儀利用棱鏡或光柵分解天體發(fā)出的光，將其分解為光譜。光譜是判斷發(fā)光體的化學(xué)成分的核心手段。

〇 中紅外設(shè)備包括中紅外相機(jī)與中紅外光譜儀，觀測(cè)波長(zhǎng)范圍為5-28微米，是哈勃觀測(cè)的極限波長(zhǎng)的2到12倍。

〇 近紅外成像器與無(wú)縫光譜儀用于觀測(cè)0.8-5微米范圍內(nèi)的光譜。

遮陽(yáng)傘與電冰箱

由于外來(lái)的熱量與儀器自身工作時(shí)發(fā)出的熱量，望遠(yuǎn)鏡自身會(huì)有一定溫度，并發(fā)射出紅外線，這些強(qiáng)烈的紅外線會(huì)污染望遠(yuǎn)鏡收集到的來(lái)自天體的紅外輻射。

為了阻止外來(lái)的熱量，韋布的設(shè)計(jì)者為它設(shè)計(jì)了一個(gè)五層的“遮陽(yáng)傘”，每層的厚度約等于頭發(fā)絲的直徑，寬度最大為4.57米，長(zhǎng)度為16.19米，長(zhǎng)與寬分別等于網(wǎng)球場(chǎng)的長(zhǎng)與寬。

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韋布的五層遮陽(yáng)罩展開(kāi)后的藝術(shù)想象圖。Credit：NASA

每經(jīng)過(guò)一層“傘”，就有大部分入射的輻射被隔絕，經(jīng)過(guò)五層遮擋，僅有約百萬(wàn)分之一左右的輻射可以傳到望遠(yuǎn)鏡附近。這樣的遮陽(yáng)裝置可以使整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的溫度保持在絕對(duì)溫度50 K（約-223℃）以下，這個(gè)溫度對(duì)于韋布上的近紅外儀器是足夠低的。

但是，這個(gè)溫度對(duì)于中紅外設(shè)備而言還是太高了，它要低到7 K（約-266℃）才可以探測(cè)中紅外輻射。為此，工程師們給它加了一個(gè)制冷機(jī)——壓縮制冷劑使其液化，液化制冷劑蒸發(fā)帶走熱量，降低溫度，但制冷劑自身幾乎都還在制冷機(jī)內(nèi)部。聽(tīng)上去它就像是一個(gè)電冰箱，其實(shí)它確實(shí)就是一個(gè)電冰箱。

地球上的電冰箱要知道自己有這么一個(gè)高端的兄弟，都要激動(dòng)哭了。必須提到的是，哈勃上的NICMOS一開(kāi)始用的是液氮，后來(lái)也用了這種類型的制冷機(jī)。[4]

上面說(shuō)過(guò)，為了減輕重量，韋布的鏡坯是用鈹制造的。實(shí)際上，鈹還有另外兩個(gè)特性：比鋼堅(jiān)硬好幾倍；在不同溫度的環(huán)境切換時(shí)，變形非常小。后一種特性使韋布的主鏡面可以在常溫-低溫切換時(shí)只產(chǎn)生非常輕微的變形。

韋布的探測(cè)目標(biāo)：從遠(yuǎn)古宇宙、外星大氣到太陽(yáng)系內(nèi)天體

作為紅外望遠(yuǎn)鏡，韋布探測(cè)的目標(biāo)主要是一些天體發(fā)出的紅外輻射。這些紅外輻射有的是天體自身發(fā)出的紅外輻射；有的則本來(lái)是一些紫外線或可見(jiàn)光，但卻因?yàn)橛钪媾蛎浂蔀榧t外線。如果以觀測(cè)目標(biāo)來(lái)分類，韋布將觀測(cè)以下對(duì)象：

〇 一些正在形成的恒星系統(tǒng)。它們周圍還殘留著氣體與塵埃構(gòu)成的冷盤，盤內(nèi)正在形成類似于地球與木星的行星，它們發(fā)出的輻射集中于紅外波段。此前一些紅外望遠(yuǎn)鏡已對(duì)這些冷盤進(jìn)行過(guò)觀測(cè)。韋布的口徑更大，因此在同樣的波段上具有更高的分辨率，可以觀測(cè)到這些冷盤的更多細(xì)節(jié)。

〇 第一代恒星與第一代星系。根據(jù)理論研究，第一代恒星與星系形成于宇宙大爆炸之后大約1-2億年。它們與地球的距離極端遙遠(yuǎn)，它們發(fā)出的光，哪怕一開(kāi)始是紫外線與可見(jiàn)光，在特別漫長(zhǎng)的宇宙穿行的過(guò)程中，都會(huì)被拉長(zhǎng)為紅外線。

這些紅外線無(wú)法被哈勃上的紅外線相機(jī)探測(cè)到，但可以被韋布觀測(cè)到，因?yàn)轫f布可以觀測(cè)的波長(zhǎng)的上限是哈勃的12倍。正因?yàn)槿绱?，人們常說(shuō)韋布可以比哈勃看得更遠(yuǎn)。

韋布可以觀測(cè)到紅移超過(guò)20左右（15到30之間）、年齡約為2億年（1到2.5億年）時(shí)的宇宙。作為對(duì)比，哈勃最遠(yuǎn)觀測(cè)到紅移為10、年齡為4.8億年時(shí)的宇宙（見(jiàn)下圖）。這些觀測(cè)極限距離是由觀測(cè)波長(zhǎng)決定的，不能通過(guò)擴(kuò)大口徑來(lái)達(dá)到。

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〇 宇宙不同年齡時(shí)的各類星系。結(jié)合韋布對(duì)第一代星系的觀測(cè)，這將給出星系演化的完整圖景。

〇 銀河系內(nèi)、太陽(yáng)系外的一些行星（系外行星）。韋布可以利用其上面的設(shè)備屏蔽這些行星的母恒星發(fā)出的光，從而直接拍攝到它們。

對(duì)于一些會(huì)遮擋母恒星的行星，韋布還可以捕獲母恒星被行星大氣折射后的星光，天文學(xué)家可據(jù)此分析出行星大氣的化學(xué)成分，甚至確定行星上是否含有液態(tài)水，是否適合生物繁衍與進(jìn)化——說(shuō)人話，就是探索外星生命存在的可能性。

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圍繞其他恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星的藝術(shù)想象圖。Credit：Wikipedia，Exoplanet詞條

〇 太陽(yáng)系內(nèi)部的天體，尤其是一些位于海王星之外的暗淡而寒冷的矮行星與小行星。這些冷天體發(fā)出的光以紅外線為主，正適合韋布。這些天體是太陽(yáng)系的活化石，深入了解它們的性質(zhì)，有助于人類更深入了解太陽(yáng)系的起源。

〇 各種恒星或恒星殘骸爆炸后產(chǎn)生的爆發(fā)現(xiàn)象。這些爆炸會(huì)發(fā)出大量紅外線。特別是一些非常遠(yuǎn)的Ia型超新星，它們發(fā)出的大部分紫外線與可見(jiàn)光將被膨脹的宇宙拉長(zhǎng)為紅外線。韋布會(huì)配合大視場(chǎng)的羅曼望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)它們，從而為確定遠(yuǎn)距離宇宙內(nèi)的星系的距離、精確測(cè)量早期宇宙的演化模式提供重要依據(jù)。

韋布由NASA、歐洲航天局（ESA）與加拿大航天局聯(lián)合負(fù)責(zé)投資與研制。和哈勃一樣的是，韋布升空后由獨(dú)立于NASA的空間望遠(yuǎn)鏡研究所管理。

按照計(jì)劃，韋布將在軌道上正常運(yùn)行10年。即使不考慮此后每年可能上億美元的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，此前耗資已超過(guò)100億美元的韋布，每一年觀測(cè)都是用10億美元燒出來(lái)的。

作為人類有史以來(lái)最昂貴、最強(qiáng)大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，韋布必將為全人類認(rèn)識(shí)早期宇宙、第一代星系、第一代恒星、宇宙演化、太陽(yáng)系外的行星、太陽(yáng)系內(nèi)行星等重要課題做出突破性的貢獻(xiàn)。

我們祝愿它一路順風(fēng)，在未來(lái)的10年時(shí)間內(nèi)為人類破解宇宙、外星球與太陽(yáng)系起源等眾多秘密做出輝煌的貢獻(xiàn)。

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韋布的官方海報(bào)。Credit：NASA/JPL-Caltech

注：

[1]法屬圭亞那空間中心位于南美洲東北海岸線的庫(kù)魯（Kourou），面向大西洋，緯度為北緯5度，非常有利于火箭發(fā)射，因此素有“歐洲空港”之稱。

[2]原文為“but in the near infrared”，

見(jiàn)：https://www.jwst.nasa.gov/content/about/faqs/faq.html#sharp

[3]這樣的軌道被稱為“暈軌道”。此處“暈”本來(lái)與“日暈”、“月暈”這些概念有關(guān)，應(yīng)該念作“運(yùn)”；但是你要是感覺(jué)這概念讓你有點(diǎn)暈，那也不妨念為“暈倒”的暈。

[4]事實(shí)上，“（超）低溫液體直接蒸發(fā)降溫”代表了空間望遠(yuǎn)鏡的另一種制冷模式。特別是液氦，它的直接蒸發(fā)，可以將儀器的溫度降到1-2 K甚至0.1 K左右，使儀器可觀測(cè)幾百微米甚至厘米波長(zhǎng)的輻射。由于韋布不需要觀測(cè)那么長(zhǎng)的波長(zhǎng)，因此也不需要用這種模式制冷。