歐美天文學(xué)界的圣誕禮物
北京時(shí)間12月25日20時(shí)20分，天文學(xué)界期盼已久的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）終于在法屬圭亞那庫(kù)魯發(fā)射場(chǎng)升空。在發(fā)射約26分鐘后，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡順利與阿麗亞娜5號(hào)火箭分離，開(kāi)始為期29天的奔赴150萬(wàn)公里外預(yù)定軌道的飛行。
韋伯將在距離地球150萬(wàn)公里的拉格朗日2點(diǎn)（L2）處繞太陽(yáng)運(yùn)行，并與地球保持同步。
按照計(jì)劃，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將在約四周后被部署在太陽(yáng)─地球的第二拉格朗日點(diǎn)（L2）附近，并繞著L2點(diǎn)的HALI軌道進(jìn)行運(yùn)行，那里處于地球背向太陽(yáng)后方的150萬(wàn)公里處，是太陽(yáng)和地球之間的引力平衡點(diǎn)，加上韋伯望遠(yuǎn)鏡自帶了一個(gè)大型遮陽(yáng)板，可以保持望遠(yuǎn)鏡的鏡片和四個(gè)重要科學(xué)儀器運(yùn)行溫度長(zhǎng)期低于50 K（約?220 °C），更好地進(jìn)行天文學(xué)的觀測(cè)。
命名的由來(lái)
韋伯望遠(yuǎn)鏡的全稱(chēng)叫詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，英文名為James Webb Space Telescope，縮寫(xiě)為JWST，以美國(guó)宇航局第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋布的名字命名。1961年至1968年，詹姆斯·韋布擔(dān)任局長(zhǎng)期間曾領(lǐng)導(dǎo)阿波羅計(jì)劃等一系列美國(guó)重要的太空探測(cè)項(xiàng)目。
并不是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者
與主業(yè)在可見(jiàn)光波段的哈勃望遠(yuǎn)鏡不同，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）是一艘主業(yè)在紅外波段的空間望遠(yuǎn)鏡，原計(jì)劃耗費(fèi)5億美元并于2007年發(fā)射升空。但由于各種原因，導(dǎo)致項(xiàng)目嚴(yán)重超支，發(fā)射時(shí)間數(shù)次推遲，最終耗資超過(guò)百億美元，并推遲了14年才得以升空，目前預(yù)定工作時(shí)間期限為10年，直到燃料和制冷劑消耗殆盡，但在首期任務(wù)期滿后也許會(huì)人工加注繼續(xù)延長(zhǎng)服役。
詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)到了6.5米，重6.2噸，運(yùn)行軌道距離地球150萬(wàn)公里；相比而言，哈勃望遠(yuǎn)鏡的口徑2.4米，重11噸，運(yùn)行軌道只有575公里。韋伯望遠(yuǎn)鏡口徑是哈勃的2.7倍，聚光面積是哈勃的6.25倍。哈勃的主鏡采用玻璃制造，而韋伯則采用金屬鈹，高度拋光，粗糙度控制在20納米。口徑加上精度，有人預(yù)測(cè)，韋伯的分辨率將會(huì)比哈勃高出100倍。
發(fā)射前兩天，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡整合進(jìn)入阿麗亞娜5火箭整流罩前工作人員的合影鏡像。
由于韋伯太空望遠(yuǎn)鏡主鏡的直徑比阿麗亞娜5火箭整流罩的直徑更大，無(wú)法直接包絡(luò)在火箭內(nèi)，因此主鏡被分割成18塊六角形的鏡片，這些鏡片由鈹制成，每個(gè)鏡面的拋光誤差不超過(guò)10納米；同時(shí)鏡面也經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)研磨，使得其能夠在遮陽(yáng)板陰影的極度嚴(yán)寒環(huán)境中保持正確形狀。每塊鏡片背部都裝有7個(gè)馬達(dá)，能夠在10納米的精度內(nèi)調(diào)整鏡片的形狀和方向。發(fā)射后這些鏡片會(huì)在高精度的微型電動(dòng)機(jī)和波面?zhèn)鞲衅鞯目刂葡抡归_(kāi)。
普通地面天文望遠(yuǎn)鏡、哈勃超深空與詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡成像距離對(duì)比（紅字：紅移值，白字：光與宇宙大爆炸的時(shí)間差）
我們熟悉的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡位于距離地表575公里的近地軌道上運(yùn)行，因此在航天飛機(jī)時(shí)代，宇航員可以親自前往哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行故障處理。而詹姆斯?韋布太空望遠(yuǎn)鏡位于離地球150萬(wàn)公里的距離，即使出現(xiàn)故障也不可能頻繁派遣宇航員前去處理。但由于太陽(yáng)─地球的第二拉格朗日點(diǎn)（L2）重力相對(duì)穩(wěn)定，韋伯望遠(yuǎn)鏡相對(duì)來(lái)說(shuō)可以保持運(yùn)行軌道不變，不需要頻繁地進(jìn)行軌道修正，可以更穩(wěn)定的進(jìn)行觀測(cè)，而且還不會(huì)受到地球軌道附近灰塵的影響。
造價(jià)100億美元（約600億人民幣）的望遠(yuǎn)鏡這么吊著，任何人都會(huì)心一緊吧
哈勃望遠(yuǎn)鏡1小時(shí)36分鐘繞地球飛行一圈，因此時(shí)刻會(huì)暴露在太陽(yáng)、地球和月亮的光芒中，為了保證觀測(cè)，哈勃只能做一個(gè)巨大的鏡筒遮光；而韋伯望遠(yuǎn)鏡會(huì)與地球同步圍繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，一年一圈，大多數(shù)時(shí)間躲在地球的陰影里，可以遮住太陽(yáng)大部分光線，還有厚厚的遮陽(yáng)板保證望遠(yuǎn)鏡的工作環(huán)境。
靈敏度是哈勃100倍 肩負(fù)四大使命
詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）共同研發(fā)，靈敏度是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的100倍，并有望揭開(kāi)135億年前宇宙的早期模樣。
JWST原計(jì)劃最初計(jì)劃2007年發(fā)射，最初預(yù)算5億美元，但按照NASA最新預(yù)算，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡總計(jì)預(yù)算高達(dá)96.6億美元。最終完成部署并運(yùn)營(yíng)，絕對(duì)超過(guò)100億美元，絕對(duì)稱(chēng)得上史上最昂貴的太空望遠(yuǎn)鏡！而哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最初預(yù)算47億美元，發(fā)射升空20年后總計(jì)花費(fèi)接近100億美元。由于杰出的紅外觀測(cè)功能，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將能夠?qū)ふ蚁低庑行撬魵馓卣鳎瑥亩岣逳ASA尋找和研究類(lèi)地系外行星的能力。
哈勃望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行近三十年來(lái)在很多方面改變了人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，但是哈勃望遠(yuǎn)鏡上幾部紅外相機(jī)的靈敏度不夠高，人們需要使用更高靈敏度的紅外設(shè)備。由于宇宙膨脹，第一批天體的光線抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，已經(jīng)偏向電磁光譜的紅色一端。韋伯太空望遠(yuǎn)鏡因此應(yīng)運(yùn)而生，它將讓我們看到宇宙很年輕時(shí)的景象。韋伯太空望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)ｉT(mén)在紅外光譜下進(jìn)行觀測(cè)，并且擁有極高的靈敏度。因此，它有能力看得更遠(yuǎn)、更清晰，使我們能夠以前所未有的便利性觀測(cè)和研究宇宙。
韋伯望遠(yuǎn)鏡有四大使命：首先，它將嘗試觀測(cè)宇宙大爆炸后出現(xiàn)的第一批天體，例如星系、黑洞和超新星；其次，它將觀測(cè)星系隨時(shí)間如何生長(zhǎng)；再次，它將觀測(cè)恒星和行星系統(tǒng)在氣體塵埃云內(nèi)部如何形成；最后，它將觀測(cè)其他恒星周?chē)男行且约拔覀兩硖幍奶?yáng)系本身，了解這些天體系統(tǒng)的成長(zhǎng)和演化歷程，并幫助了解地球如何具備能提供生命繁衍生息的條件。
韋伯望遠(yuǎn)鏡任務(wù)徽章
歐空局也表示：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡提供的數(shù)據(jù)還將回答一些令人信服的問(wèn)題：黑洞是如何形成和成長(zhǎng)的，以及它們對(duì)早期宇宙的形成和演化有何影響。根據(jù)美國(guó)物理學(xué)會(huì)今年4月份的研究報(bào)告稱(chēng)，韋伯望遠(yuǎn)鏡將能利用其搭載的儀器調(diào)查7顆可能宜居的系外行星的大氣層，以尋找氨和其他可能的生命跡象，并有望在三天內(nèi)給出結(jié)果。
諸多科學(xué)與工程領(lǐng)域的創(chuàng)新
在延期的這十四年時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家們?cè)陧f伯望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了非常多工程學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新。比如巨大的“遮陽(yáng)傘”結(jié)構(gòu)，以及創(chuàng)造最低工作溫度紀(jì)錄的設(shè)備等。
5層隔熱結(jié)構(gòu)
為讓韋伯望遠(yuǎn)鏡將捕捉紅外光的能力發(fā)揮到最大限度，就必須盡可能減少主要來(lái)自太陽(yáng)、地球和月球的光和熱輻射干擾。為此，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了一種巨大的“遮陽(yáng)傘”結(jié)構(gòu)，這個(gè)“遮陽(yáng)傘”與一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小相當(dāng)，擁有5層隔熱結(jié)構(gòu)，層與層之間有間隙，這樣，向陽(yáng)一面溫度可達(dá)110℃，經(jīng)過(guò)遮光板的層層反射吸收和衰減，到達(dá)主鏡時(shí)溫度就能降到-223℃。為了保證近紅外、中紅外的觀測(cè)環(huán)境，望遠(yuǎn)鏡的冷卻系統(tǒng)還可以將環(huán)境溫度分別降到-234℃和266℃，能使遠(yuǎn)端的觀測(cè)設(shè)備保持低溫工作狀態(tài)。
在地面展開(kāi)鏡面的韋伯望遠(yuǎn)鏡
150萬(wàn)公里的軌道高度讓韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)角度比哈勃好很多，可以幫助科學(xué)家揭示有關(guān)宇宙早期的一系列謎團(tuán)。由于身處這樣幽深寒冷的環(huán)境，韋伯望遠(yuǎn)鏡將在接近絕對(duì)零度的條件下進(jìn)行觀測(cè)，其攜帶的一臺(tái)設(shè)備將創(chuàng)造工作溫度的最低紀(jì)錄——零下267攝氏度。
一旦出現(xiàn)故障 維修會(huì)非常困難
由于韋伯望遠(yuǎn)鏡主鏡由18個(gè)鈹制成的六角形鏡片組成，在進(jìn)入太空后，這18個(gè)鏡片將重新組合，并最大限度構(gòu)成一個(gè)整體，協(xié)同發(fā)揮作用。如果這一功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將很有可能成為在茫茫太空中漫無(wú)目的游蕩的“盲人”，因?yàn)橐坏┻M(jìn)入太空，韋伯望遠(yuǎn)鏡再進(jìn)行維修會(huì)非常困難，而能夠?qū)⒂詈絾T送抵150萬(wàn)公里L(fēng)2點(diǎn)的SLS火箭與獵戶座飛船首飛不會(huì)早于2024年。
科學(xué)家對(duì)韋伯的期望
科學(xué)家們對(duì)韋伯望遠(yuǎn)鏡最大的期望是能夠觀測(cè)到接近宇宙起源處，從而檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型的精確性，讓人類(lèi)對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)更深刻。
哈勃與韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波段的差異
現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型理論認(rèn)為，宇宙起源于138億年前的大爆炸。宇宙中任何信息最快的傳遞速度就是光速，也就是說(shuō)大爆炸的光傳遞到我們眼中需要138億年，如果能夠看到138億年的宇宙，將是大爆炸那一刻的狀態(tài)。由于宇宙膨脹，光線的傳播會(huì)發(fā)生紅移效應(yīng)，就是向波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光譜紅端偏移。根據(jù)哈勃定律，距離越遠(yuǎn)，星系的退行速度越快，紅移量就越大，因此，130多億光年距離的光傳遞到地球，早就脫離可見(jiàn)光波段范圍了，成為了紅外線。
韋伯望遠(yuǎn)鏡的上面與底部
紅外線波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透宇宙塵埃的能力就越強(qiáng)，因此可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到的遠(yuǎn)方天體，可以用紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，要想更好觀測(cè)宇宙早期天體，就必須提高紅外波段的觀測(cè)能力。紅外線波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透宇宙塵埃的能力就越強(qiáng)，因此可見(jiàn)光望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到的遠(yuǎn)方天體，可以用紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到，要想更好觀測(cè)宇宙早期天體，就必須提高紅外波段的觀測(cè)能力。這就是韋伯望遠(yuǎn)鏡如此重視紅外波段的原因。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到最遠(yuǎn)的星系距我們134億光年，那是宇宙誕生后4億多年的樣子，這已經(jīng)是哈勃的觀測(cè)極限。科學(xué)家們相信，韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射成功并正常工作后，有可能觀測(cè)到距我們136億光年的天體，獲得宇宙誕生后2億年左右的照片。這對(duì)驗(yàn)證我們已有的理論非常重要，不管是證實(shí)還是推翻了已成定論的標(biāo)準(zhǔn)模型，對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)，都將是一個(gè)巨大的進(jìn)步。
歐空局官方的韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射任務(wù)海報(bào)
除此之外，韋伯在觀測(cè)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星，甚至地外生命和地外文明方面，也將發(fā)揮出比哈勃更強(qiáng)大的功能。可以預(yù)見(jiàn)，韋伯升空到達(dá)預(yù)定軌道后，將會(huì)帶給人類(lèi)一個(gè)又一個(gè)新的驚喜。
來(lái)源：綜合科普中國(guó)，科技日?qǐng)?bào)等內(nèi)容。
