詹姆斯-韦伯太空望远镜： 起源、设计和任务目标

詹姆斯-韦伯太空望远镜于2021年12月25日上午7:20发射升空，其任务是从距离地球近150万公里的有利位置观测宇宙中一些最微弱、最古老的天体。

7月11日，拍摄到的第一张全彩色图像，天文学家们称赞这是迄今为止拍摄到的最深的宇宙图像。

第二天，又发布了四张首次亮相的图像，展示了韦伯望远镜令人难以置信的能力，其中包括一颗遥远的垂死恒星、一颗外星系外行星和由五个星系组成的星系团混乱碰撞的特写。

作为哈勃太空望远镜的后继者，韦伯有很多事情要做。哈勃太空望远镜是一个仍在运行的太空观测站，它捕捉到了宇宙的壮观图像。

自1990年哈勃望远镜发射以来的30年中，它以前所未有的细节揭示了宇宙的奥妙。它被用于研究暗能量和系外行星等前沿课题，而这些课题在哈勃望远镜开始运行时几乎是想都不敢想的。

韦伯太空望远镜主要由国家航空航天局运营并提供了大部分资金，20年前，韦伯的名字就被首次用于 "下一代太空望远镜"。

韦伯号原计划耗资5亿美元，于2007年发射。由于航天器的设计极为复杂和创新，这些估算被证明过于乐观。该望远镜的建造成本接近100亿美元，比2009年的估算成本几乎翻了一番。

尽管如此，参与该项目的科学家们相信，其结果将足以弥补为之投入的时间和金钱。NASA热衷于强调韦伯望远镜不仅仅是一个比哈勃更大、更强大的望远镜。JWST的直径是哈勃望远镜的2.5倍，灵敏度是哈勃望远镜的100倍。

正如《生活科学》此前报道的那样，普通光学望远镜看到的光谱与我们眼睛看到的光谱相同，覆盖了大约380到740纳米之间的波长范围。

哈勃光谱覆盖了所有这些波长，此外还包括波长较短的紫外线和波长较长的红外线。

但根据NASA的JWST网站，JWST主要是一个红外望远镜，针对600到28,000纳米的波长进行了优化。因此，它看不到绿色或蓝色的光，只能看到橙色和红色的光--此外还有更长波长的光。

对于许多天文物体，包括恒星形成区、系外行星和最遥远的星系，这些波长很长的光谱比可见光谱对天文学家更有用。

但红外线给地球望远镜带来了问题，因为大部分红外线都被我们星球的大气层所阻挡。

地球通过热辐射产生自身的红外线辐射，这往往会淹没较暗的天文来源。因此，红外望远镜的最佳位置是在太空中，尽可能远离地球及其所有不需要的热源。

继欧空局的赫歇尔红外天文台之后，韦伯望远镜位于距离地球近150万公里的L2点。

这使得韦伯望远镜能够看到比哈勃望远镜在低地球轨道上更清晰的宇宙，但它也有一个缺点。与它的前身不同，如果发生故障，由宇航员组成的维修小组并不容易到达。一切都必须在第一次尝试时就完美运行，这也是为什么NASA花了二十年的时间才将韦伯发射升空的原因之一。

7月11日揭示了JWST的首张全彩图像

该图像被命名为 "韦伯的第一个深场"，显示了一个名为SMACS 0723的星系团，距离地球约46亿光年。

天文学家之所以瞄准这个星系团，是因为它的质量非同一般；这个星系团的质量如此之大，以至于它弯曲并放大了位于其后面的遥远星系的光线，使我们地球人能够窥视到宇宙的过去。

通过这种被称为引力透镜的光线弯曲过程，可以看到SMACS 0723放大了宇宙中一些最早星系的光线，这些星系距离地球约135亿光年。

这个 "山峰 "和 "山谷 "的景观上点缀着闪闪发光的恒星，实际上是附近一个年轻的恒星形成区域的边缘，这个区域被称为船底座星云中的NGC 3324。这张照片是由韦伯用红外光拍摄的，它首次揭示了以前看不到的恒星诞生区域。

这些星系呈现为围绕中央星系团的弯曲、俯冲的光弧。天文学家已经在这幅图像中探测到至少两个星系，它们是迄今为止观测到的最古老星系的候选者。

7月12日，NASA揭示了JWST的另外四张首次亮相的图像。其中包括一张附近一颗外星系外行星的光谱图像，揭示了该行星大气层的精确化学成分，以及几张宇宙中巨大的、被尘埃笼罩的天体的炫目特写。

最具代表性的早期图像或许是JWST拍摄的船底座星云特写，这是一个明亮而充满气体的恒星形成温床，距离地球约7600光年。

科学家们已经对这个星云进行了广泛的研究，但是新的图像以前所未有的惊人细节揭示了船底座星云的 "宇宙悬崖"。

数百颗以前望远镜看不到的新生恒星在星云的气体景观中闪闪发光。据NASA称，尘埃的喷流和漩涡在图像中旋转，形成了科学家们甚至无法识别的奇特结构。

韦伯号上的两台照相机拍摄到了这个行星状星云的最新图像，它被编入NGC 3132，被非正式地称为南环星云。它距离我们大约2500光年。

韦伯早期观测的一个重要主题是，年轻宇宙的成长速度似乎比科学家们之前想象的要快得多。这一观点得到了已知宇宙中最古老星系的发现的支持，这些星系的形成可追溯到宇宙大爆炸后的3亿到5亿年之间。考虑到星系的生长时间有限，恒星在这些星系中的形成速度似乎比之前想象的要快得多。

进一步发现的已知宇宙中最古老的主动进食超大质量黑洞，以及超大质量恒星群--有些在宇宙大爆炸后仅4.4亿年就达到了太阳质量的10,000倍，也表明宇宙的成长速度比之前估计的要快。科学家们仍在努力探索这些发现的意义。

其他值得注意的发现包括韦伯探测到了太空中最古老的复杂有机分子、宇宙中最冷的冰以及有史以来最暗淡的星系，可追溯到宇宙年龄约为其目前年龄的4%时。

更深入地探索了宇宙的过去，揭示了许多突破性的发现

韦伯号设计的一个主要特点是它有一个 "冷面 "和一个 "热面"。冷面进行观测，而热面则装有航天器的太阳能电池板和与地球进行双向通信的天线。但这种安排只有在从航天器的角度来看太阳和地球始终朝向同一方向时才有效。

如果韦伯像哈勃那样被简单地放置在地球轨道上，情况就不会是这样；如果航天器绕太阳运行的轨道与地球轨道的距离略有不同，情况也不会是这样。

有一个特殊的距离，在这个距离上，天体可以绕太阳运行，并始终看到太阳和地球在同一个方向上。这就是L2点，也是韦伯望远镜的工作位置。

L2点是太空中五个被称为拉格朗日点的位置之一，这是以18世纪研究拉格朗日点的约瑟夫-路易-拉格朗日命名的。

在这些位置上，太阳和地球的引力共同作用，使小行星，航天器保持在相对于前两个天体的固定位置上。

拉格朗日点并不是静止的，但它们以与地球完全相同的速度围绕太阳公转，因此与我们的距离始终保持不变。它的距离约为150万公里，约为月球的四倍远。

要将这台望远镜一直送到L2，需要一个强大的运载火箭，从升空后仅26分钟，火箭就将韦伯带离地球大气层飞向L2。

航天器随后与火箭分离并巡航了大约一个月，对其轨迹进行了小幅调整，最终于1月24日抵达L2。

工程师正在对JWST的巨大主镜进行地面测试

从外观上看，JWST与哈勃望远镜截然不同。后者就像传统望远镜一样，被封闭在一个圆柱形的管子中，屏蔽了杂散光对光学元件的影响。

根据其在轨道上的位置，哈勃可能会受到大量光线的照射：来自一个方向的炽热阳光，来自另一个方向的地球表面反射，有时甚至是月球。

从L2点看去，所有这些明亮的光源或多或少都在同一个方向上，因此望远镜只需要一个大的遮阳板。主镜和副镜形式的裸光学器件就位于其上。这台望远镜更像是一台射电望远镜，而不是光学望远镜。

从功能上看，韦伯望远镜和哈勃望远镜的构造原理是相同的。它们都是围绕着一个大的主镜而建造的，主镜的关键任务是尽可能多地捕捉来自可观测宇宙边缘的天体的光线。从本质上讲，主镜越大越好。

哈勃望远镜的主镜直径为2.4米，由一块圆形玻璃制成。如果将其放大到JWST所需的尺寸直径约6.5米，那么不仅制造难度极大，而且其体积和重量也将无法发射到太空。

韦伯望远镜的镜面是由18个六角形片段构成的，这些片段在发射时被折叠起来，进入太空后被展开成一个可操作的配置。

曾考虑过像哈勃望远镜那样用玻璃制造这些镜片，但最终他们还是使用了铍，一种非常坚固的轻质金属，常用于高速飞机和太空飞行器。

这种金属需要以极高的精度进行塑形和抛光，以产生具有必要清晰度的图像；NASA估计抛光误差小于百万分之一英寸。在获得所需的形状后，镜片被镀上一层薄薄的纯金，以最大限度地提高红外波长的反射率。

当所有镜片组合在一起时，主镜的直径就达到了所需的6.5米。这大约是哈勃反射镜的2.7倍，但实际性能的提高却远不止于此。

这是因为反射镜的集光能力与其面积而非直径成正比。考虑到镜片的六边形和中心的孔，韦伯望远镜的有效面积为25平方米，而哈勃望远镜的有效面积为4平方米。这相当于性能提高了6倍多。

JWST位于L2点，持续处于明亮的阳光下。这对航天器总线上的设备来说是健康的，但对光学仪器和科学舱来说却是坏消息。由于它们通过红外线进行观测，因此需要尽可能保持低温才能正常工作。

飞船的两半将被一个巨大的、风筝状的、五层的遮阳板隔开，其大小与网球场差不多。向阳面的温度可能达到摄氏100度，而寒冷面的温度将低至摄氏零下237度。

通常从可见光的角度来看待天文学，因为我们的眼睛和传统望远镜看到的就是可见光。

但天体产生的辐射遍及整个电磁波谱，从波长很长的无线电波到波长很短的X射线和伽马射线。

我们的眼睛之所以能够看到这些波长，是因为太阳发出的大部分能量都来自于这些波长，但较冷的天体，如行星和新形成的恒星，往往会辐射出比这更长的波长。

这就是为什么像韦伯这样的红外望远镜如此重要的原因之一。第二个原因是，虽然星系中的尘埃会吸收可见光，但它对红外波几乎是透明的。这意味着如果有大量尘埃阻挡，即使是类太阳恒星也更容易在红外线中看到。

2月2日，工程师开始对韦伯望远镜进行首次成像测试，18个镜段捕捉恒星的图像，然后用于校准主镜，使18个单独的图像最终合并成一个恒星。

韦伯有时被描述为 "时间机器"，因为来自遥远天体的光以有限的速度传播，所以我们看到的是它们过去的样子。

哈勃已经向我们展示了数十亿年前的星系，但JWST将更加敏感。NASA希望它能看到136亿年前第一批星系形成时的景象。

与哈勃等可见光波段望远镜相比，韦伯望远镜还有一个优势。

由于宇宙在不断膨胀，来自遥远天体的光被拉长，波长也随之增加。这意味着可见光波段发出的光实际上是在红外波段到达我们的，而红外波段正是JWST所优化的波段。

首要任务之一将是对特定天空中最遥远的星系进行观测，以探索宇宙诞生之初的状况。

由于哈勃拍摄的壮观图像，大多数人都知道了星系的样子，巨大的恒星集合体，通常以优雅的对称螺旋模式排列。但这些往往是相对较近的星系，因此也是成熟的星系。哈勃提供的非常早期的星系的诱人一瞥表明，它们要小得多，看起来也更混乱。

到目前为止，还没有人知道这些原星系是如何形成的，也不知道它们后来是如何聚集在一起，形成了我们今天看到的较大的、看起来很规则的星系。

人们希望韦伯望远镜能够通过其对早期宇宙的超深度观察来回答类似的问题。

星系的另一个公认特征是大多数星系的中心都存在超大质量黑洞。

在早期宇宙中，这些黑洞经常为被称为类星体的巨大明亮星系核提供动力，韦伯计划对其中最遥远、最明亮的6个例子进行研究。

宇宙中的星系起源于很早以前，从那时起它们就一直在稳定地演化。但是其中的恒星却并非如此，它们的生命周期更类似于生物的生命周期。

它们出生、发育、衰老、死亡，老恒星的残余物为制造新恒星提供了所需的原材料。这个过程的大部分已经被人们很好地理解了，但是围绕着恒星的实际诞生，以及可能在它们周围形成的行星盘，仍然存在着一个谜团。

这是因为小恒星最初被包裹在尘埃茧中，普通的可见光望远镜无法穿透尘埃。但是所有这些尘埃在韦伯望远镜使用的红外线波长下几乎是透明的，因此NASA希望它能最终揭示恒星形成的终极秘密。反过来，这可能会让我们了解到我们自己的太阳和太阳系的起源。

当代天文学最激动人心的领域之一是寻找环绕其他恒星运行的系外行星，特别是可能具有生命进化所需的化学成分和条件的类地行星。

JWST将在多个方面为这一搜索做出贡献，利用红外成像和光谱学研究行星系统的化学和物理特性。

它能够穿透尘埃并拍摄超高分辨率的图像，这将为我们提供行星系统的直接视角，例如新形成的恒星的行星系统。

韦伯望远镜还将分析系外行星大气的化学成分，特别是寻找生命组成成分的蛛丝马迹。这也是红外望远镜的理想用途，因为构成行星大气的分子在这些波长下往往最为活跃。

在第一年里，韦伯望远镜的观测计划将覆盖整个宇宙，从宇宙早期的第一道曙光到系外行星大气。

将通过提高分辨率、灵敏度和波长覆盖范围来观测宇宙中最有趣的天体。

这将为天空中的著名天体提供新的和更强的特征描述。只要你能说出它的名字，韦伯就有可能观测到它，尽管可能不是第一年就能全部观测到。

当拥有一个像韦伯这样具有变革性时，最激动人心的发现很可能是那些我们甚至没有预料到的。

韦伯的红外宇宙之眼将使我们能够看到我们以前视而不见的空间。它前所未有的红外灵敏度将帮助天文学家将最早的星系与今天的大螺旋星系和椭圆星系进行比较，帮助我们了解星系是如何在数十亿年的时间里组合起来的。

韦伯望远镜将能够看穿和看透像哈勃这样的可见光天文台无法看到的巨大尘埃云，在这些尘埃云中，恒星和行星系统正在诞生。

韦伯望远镜将告诉我们更多关于太阳系外行星大气层的信息，甚至可能发现宇宙中其他地方生命的组成部分。