【原】耗資110億美元，人類有史以來最強大的太空望遠鏡

類星體沖擊波撕裂星系。圖片來源：Hubble

浩瀚宇宙，星辰無數，然而落到我們人類視網膜中的不足7000顆。

為了能囊括最璀璨的星空，追溯宇宙最古老的星光，一架架天文望遠鏡相繼落成。

鷹星云的創生柱。圖片來源：Hubble

在過去的三十年里，作為最強大的太空望遠鏡，哈勃太空望遠鏡讓人類領略到許多宇宙壯觀的景象，幫助科學家探索到許多宇宙的奧秘，繪制出迄今最完整最全面的宇宙圖譜。

獵戶座星云。圖片來源：Hubble

然而廉頗老矣，尚能飯否？負荷工作30多年，如今的哈勃太空望遠鏡已經垂垂老矣，故障不斷。

2021年6月19日，哈勃太空望遠鏡因為一個有效載荷計算機從13日起停止工作，從而使哈勃處于停機狀態。此時的哈勃望遠鏡已處于退役的邊緣。

哈勃太空望遠鏡

那么在哈勃太空望遠鏡退役之后，誰將接過哈勃的接力棒，繼續幫助人類探索億萬光年外的神秘宇宙呢？

毫無疑問，那就是預計于2021年12月22日從法屬圭亞那庫魯的發射升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡（JWST）。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。圖片來源：NASA

1989年，在哈勃太空望遠鏡發射的前一年，馬里蘭州巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的一次研討會上，構建詹姆斯韋伯太空望遠鏡想法浮于紙面。

韋伯太空望遠鏡具有6.5米寬的主鏡，由18個六邊形組成，幾乎是哈勃望遠鏡的三倍。鏡面如此之大，以至于在發射過程中，這些鏡面必須像折紙一樣折疊起來，等到在太空才能依次展開。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的6.5米寬的主鏡被折疊起來進行發射。圖片來源：NASA

韋伯太空望遠鏡巨型遮陽裝置面積非常大，接近一個網球場的大小，具有五層結構，這個巨型遮陽裝置不僅可以把太陽光擋在身后，還要有非常精確的定位裝置，望遠鏡上的所有組件都會安裝在巨型遮陽裝置上，盡可能降低太陽光對觀測的影響。

如此宏大的韋伯太空望遠鏡設計之初，估計的總成本為10億美元，但是隨著通貨膨脹，等到32年后望遠鏡落成時已耗資110億美元，成為迄今為止人類有史以來最昂貴的天文望遠鏡。相比于中國耗11.5億巨資建造出的“中國天眼”，韋伯太空望遠鏡有多強大可想而知。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。圖片來源：NASA

按原計劃，韋伯望遠鏡本應于2014年升空，但因資金預算、疫情、命名風波以及技術故障等問題一而再，再而三地推遲發射。好在望遠鏡的各個部件在世界各地的實驗室中相繼成型，然后在戈達德完成組裝，終于預計于12月22日在庫魯的太空港發射升空。

離開地球之后，韋伯太空望遠鏡將奔赴距離地球150萬公里之外的一個點——第二個拉格朗日點作為最終運行軌道，這是將近四倍的地月距離。

為什么要到達第二個拉格朗日（L2）？

因為在拉格朗日點上，衛星受太陽、地球兩大天體引力作用，能保持相對靜止的點，由法國數學家拉格朗日1772年推導證明出，共有5個。其中L2位于日地連線上、地球外側約150萬公里處，在L2點衛星消耗很少的燃料即可長期駐留，是探測器、天體望遠鏡定位和觀測太陽系的理想位置。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。圖片來源：NASA

并且在這個位置，地球視直徑可以永遠地遮擋大部分的太陽輻射，地球將完全處于陰暗面，最大程度地減少觀測時來自太陽光的干擾。韋伯望遠鏡也選擇始終背對地球，將鏡片指向背對太陽的宇宙深空，觀測隱秘的宇宙。

但是這也是一個孤獨的點，因為人類將無法到達對其進行維修，以后的運行和維修都將靠韋伯自身完成。

第二個拉格朗日（L2）

從發射到穩定工作，韋伯望遠鏡將面臨精心編排的六個月的準備任務。韋伯望遠鏡將 到達既定軌道之后，韋伯會展開遮陽板，部署主鏡和次鏡，然后用兩個月時間同步和對齊鏡面以及望遠鏡光學元件，再用一個月的時間校準各種儀器。一切順利的話，2022年6月，人類將會收到韋伯太空望遠鏡的處女秀。

韋伯將在距離地球150萬公里的太空成功運行至少五年，但是耗巨資建造的望遠鏡一般都會負荷工作數十年。

在過去31年中，哈勃太空望遠鏡改變人類對宇宙的理解，而韋伯望遠鏡比哈勃強大約100倍。

因此，如果一切按計劃進行，韋伯望遠鏡將揭示更加隱秘的宇宙深空，通過觀察宇宙現象來重塑人對宇宙的認識，那么韋伯望遠鏡將帶來哪些突破呢？

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡尋找宇宙中的第一道光。圖片來源：NASA

韋伯太空望遠鏡擁有強大的紅外光觀測系統，它所能觀測到的其中大部分光波波長比哈勃望遠鏡所能看到的要長，這意味著韋伯可以觀測到從更遙遠星系發出的光。

因為這些穿梭宇宙的光隨著宇宙膨脹，波長持續被拉長，即波長較短的光（比如藍光）變成波長較長的光（比如紅光或者紅外光）從而使一般望遠鏡不可見，這就是引力紅移效應。

宇宙學理論認為宇宙始于138億年前的大爆炸，爆炸之后的宇宙立即開始膨脹并冷卻下來。大爆炸一秒之后，宇宙的直徑膨脹到百萬億英里，平均溫度是100億攝氏度。

大爆炸后約40萬年，宇宙直徑達到一千萬光年，溫度下降到了3000攝氏度。在這段期間，宇宙就像一鍋均勻的湯，充斥著高能粒子、輻射、氫和氦，沒有任何結構可言。如果這個時候有人觀察宇宙，會發現宇宙就像一個巨大的保溫燈一樣發出暗紅的光。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡紅外波段范圍。圖片來源：NASA

隨著宇宙變得越來越大，溫度越來越低，早期宇宙逐漸變得越來越稀薄，變得越來越黑暗，這就是科學家所說的宇宙的“黑暗時期”。

黑暗時期的宇宙并不是完全均勻，在引力的作用下，小區域內的氣體開始互相聚集，密度越來越大，平滑的宇宙變得充滿小氣體團，這些團塊最終形成恒星，星系，以及宇宙中其他所有東西的種子。

在引力的作用下，第一批恒星和星系形成，開始發出宇宙的第一道光線，自此宇宙黑暗時期結束。

宇宙大爆炸階段

雖然科學家推測大爆炸后約40萬年到10億年的時期，第一批恒星和星系照亮了宇宙，為今天的星系演化奠定了基礎。但是他們并不清楚第一道光到底是什么時候誕生的？宇宙之中恒星首先形成還是星系首先形成？

與現在的恒星相比，宇宙中的第一批恒星非常特殊，它們的亮度是現在恒星的百萬倍，但生存時間極短。它們又亮又熱然后死去，留下能達到百倍太陽質量的黑洞，這些黑洞有可能成為現今星系形成的種子。

因此，天文學家非常希望能研究這個神奇又重要的宇宙時期，但探測第一道光非常地具有挑戰性。與當今大質量明亮的星系相比，第一批星系非常小，而且由于宇宙的膨脹，它們現在遠在百億光年之外。

此外，第一批恒星被它們形成時剩下的氣體包圍，這些氣體就像霧一樣吸收了大部分的光，光輻射需要上億年的時間才能從這片迷霧中逃出。當這些光到達地球時，它們已經非常暗弱。

韋伯望遠鏡將花費數百個小時來勘測這片星空，其中一些星系已有130多億年的歷史。圖片來源：NASA，ESA

當130億年前從早期恒星或早期星系發出的光到達地球的時候，它的波長被宇宙膨脹拉長10倍，變成了紅外光，意味著這些光的波長比紅光還要長。如果要找到第一道光，就必須在紅外范圍尋找。

由于韋伯強大的紅外觀測功能，它已經準備好觀察138億年前大爆炸創造宇宙后形成的第一批恒星和星系，科學家堅信韋伯肯定會打破有史以來最遙遠星系的記錄，而這個記錄目前由一個距離地球134億光年的名為GN-z11的星系保持。

通過觀察這些極其遙遠的天文物體，科學家可以回答諸如第一批恒星如何組裝成星系，以及這些星系如何隨時間演變，幫助科學家更好地了解現代宇宙如何形成。

地外生命是經久不衰的話題，而尋找地外生命使科學家不得不將目光投向各種各樣的行星。因此，當韋伯不觀察遙遠的恒星和星系閑暇時刻，它將花費大量時間仔細觀測科學家們發現的數千顆系外行星中的一些。

它可以看到行星凌日時行星滑過恒星的表面的掠影，恒星的光線短暫地穿過行星的大氣層。韋伯的光譜分析可以比以往更詳細地揭示行星大氣層的組成，幫助尋找天文學家特別熱衷于尋找甲烷和水等生命跡象的分子。

TRAPPIST-1星系

在入住的第一年，韋伯將研究一些最著名的系外行星，例如圍繞恒星TRAPPIST-1運行的七顆類似地球大小的行星，其中三顆位于傳統意義上宜居帶內，

例如行星K2-141b，大小僅為地球的1.5倍，但是它離自己恒星如此之近，以至于它的一部分被熔化。這是一顆罕見的"熔巖行星"的例子，其地質與太陽系中已知的任何行星的地質結構都不同。韋伯的紅外探測器會探測到K2-141b大氣層中從其表面蒸發的礦物質，甚至可能繪制整個星球的溫度分布。

太陽系

在韋伯太空望遠鏡瞄準各種各樣的系外行星的同時，也不忘探索太陽系更加細觀的結構。天文學家希望利用韋伯廣泛的波長范圍來揭示太陽系行星以前看不見的細節，例如冥王星附近及更遠處軌道上冰冷的世界的顏色和表面的化學成分，它們有助于揭示太陽系起源。

經過多年的等待，韋伯太空望遠鏡升空具有劃時代的意義，天文學家已經迫不及待地想讓韋伯從哈勃望遠鏡手中接過探索宇宙的接力棒，站在巨人的肩膀上眺望星辰大海。

參考資料：https://www./articles/d41586-021-03620-1

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