時間機器”——JWST

1990年4月，哈勃太空望遠鏡（HST）承載著人們對探索宇宙的渴望，終於成功地飛向太空。但正如所有偉大的事物一樣，HST在成就自己的一番偉業之前並非一帆風順。

○ 哈勃太空望遠鏡。| 圖片來源：ESA, NASA, Alex Gerst

事實上，它在升空後就遭遇了一場重大危機：傳回來的圖片出現了嚴重問題，畫質全是模糊的！這個嚴重的光學缺陷，被稱為球面像差。在那個期間，他們成了各大媒體編寫段子的對象。但很快，NASA就派宇航員前往太空執行任務，對望遠鏡進行維修，成功地挽回了他們的聲譽。

○ 哈勃太空望遠鏡在發射後傳回來的畫質模糊（左），右邊為修復後的。

到了1995年，HST團隊的領導人Robert Williams作了一次在當時看來非常大膽的嘗試。他決定，將望遠鏡對準一片沒有任何物體的區域。如果你舉起一枚大頭針，那麼Williams想要觀測的天空區域就只有針頭般的大小。誰也沒想到，就在這片補丁般大小的背後，HST看到的卻是令人震驚的一幕：

○ 哈勃深空。| 圖片來源：NASA/ESA

1925年，埃德溫·哈勃的觀測告訴我們，銀河系並非宇宙中的唯一星系。而哈勃太空望遠鏡拍攝的這張圖片告訴我們，宇宙中的星系比我們想象的更多。自那之後，我們才開始慢慢地更好的理解星系的形成和演化，以及宇宙的歷史。而這僅僅只是HST在過去的28年中做出的眾多貢獻之一。

今天我們知道，在銀河系之中大約有2000億顆恆星，我們的太陽不過是眾星中一員，並沒有任何特別之處。而銀河系本身，也只是眾多不同形態的星系中的一個。

○ 銀河以及大、小麥哲倫星雲。| 圖片來源：Mark McGee

宇宙，遠比我們想象的要豐富的多，即使強大如哈勃太空望遠鏡，它能透露給我們的信息也是有限的。為了描繪一幅完整的宇宙圖景，我們需要建造不同類型的望遠鏡，在不同的波段下進行觀測。有時甚至需要把望遠鏡發射到太空中去，這是因為大氣中的分子以及大氣湍流等其他因素會干擾我們在地面上進行的觀測。

我們需要把望遠鏡發射到太空中去還有一個重要的原因，那就是地球的大氣層並不是在所有的波長下都是透明的。電磁輻射會被大氣中的一些氣體（比如水蒸氣、二氧化碳、氧氣）反射和吸收。有一些輻射可以穿過大氣直達地面，比如可見光（因此我們肉眼可以在夜晚看到星星）和射電波（通過射電波段，科學家可以追蹤在電子是如何被加速的，以及宇宙中氫氣的分佈）。而一些高能波長，比如伽瑪射線（在中子星、超新星爆發等極端環境中會輻射大量的伽瑪射線）、

○ 地球的大氣層只允許部分的電磁波抵達地面，因此我們需要將一些望遠鏡發射到太空。| 圖片來源：Mark McCaughrean

HST的主要觀測波段為可見光和紫外波段，包括了一小部分的紅外波段。事實上，科學家對紅外波段（在上圖中位於可見光和飛機之間的波段）的觀測非常感興趣，這也將是

“時間機器”——JWST

○ 左：哈勃太空望遠鏡（HST）；右：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）。| 圖片來源：NASA/ESA/CSA

JWST的主鏡的直徑為6.5米（相比之下，HST只有2.4米），由18個鏡片組成，重量只有HST的一半（僅重6噸）。為了不受干擾的進行觀測，JWST必須在非常低的溫度（零下233度）下運行。科學家用一個巨大的遮陽板（由非常薄的金屬膜製成，大小相當於一個網球場，長22米）來做到這一點，這能夠阻擋陽光的照射。

○ 科學家將JWST的鏡片放到巨大的低溫室中進行測試，以保證當鏡片從室溫進入到低溫時不會變形。| 圖片來源：NASA

科學家需要將許多大型的儀器組裝，並放入到低溫室中進行不斷地測試，以確保它們在真空中非常低的溫度下能正常工作。下面這張圖片呈現出了JWST完全展開後的樣貌。它將會是一個巨大的太空天文臺。

○ 完全展開的JWST。

JWST太大了，以至於我們無法直接將它發射，而必須將它摺疊打包並裝進一個容器中。接著再發射到距離地球150萬公里的拉格朗日點上（L2），這個距離只有地球和太陽之間距離的1%（1.5億公里）。這是一個相對穩定的點，意味著JWST將跟隨地球一起，一年繞太陽旋轉一週。（而不像HST那樣，在地球上空約570公里的地方繞著地球轉。）這使遮陽板的一側會指向地球和太陽，而在另一側，望遠鏡會被冷卻。

○ JWST將被髮射到L2上。| 圖片來源：Northrop Grumman

當JWST最終抵達L2時，它才會被完全展開，而這需要15天的時間（如下視頻所示）：

為什麼需要JWST？

為什麼科學家對紅外波段的現象特別感興趣？在下面這圖中，我們可以看到不同溫度的物體的光譜：

○ 圖片來源：Mark McCaughrean

一顆紅矮星的溫度大約是3000度左右（上圖藍色曲線區域），我們可以看到它會輻射出大量的可見光（在藍色區域的彩虹條）。當物體的溫度逐漸降低時（如圖中的綠色、紅色、深藍色區域），我們幾乎見不到可見光，物體釋放出的光的波長都比較長。因此，如果我們想要研究低溫的現象時，我們需要進入紅外線。

在下面這張圖，左右兩邊的景象似乎非常的不同，但其實它們都是船底座星雲。

○ 可見光（左）下的船底座星雲和紅外線（右）下的。| 圖片來源：NASA/ESA/M. Livio & Hubble 20th Anniversary Team (STScI)NASA/ESA/M. Livio & Hubble 20th Anniversary Team (STScI)

圖中左邊我們明顯可以看到一團厚重的氣體和塵埃，通過可見光我們是無法觀察到在內部的恆星會在哪裡誕生。因此，我們需要藉助紅外線。有兩個原因：一是因為該星雲的溫度較低，二是這個區域的大量塵埃阻擋了大部分光線。如果我們用近紅外波段觀測，就會看到有許多恆星在這個區域誕生（右邊）。探索恆星和行星的形成和演化是JWST的重點研究目標之一。

我們需要JWST的另一個原因跟下面這張圖片有關：

○ 圖片來源：NASA/ESA/Teplitz et al.

自1995的那次嘗試之後，HST之後進行了多次的深空觀測。以上這張圖片是著名的超深空照片。圖中顯示的是大量的星系，大的是離我們較近的，小的是離我們較遠的。

光線傳播是需要時間的，因此我們看的越遠，就代表我們看到的是越早期的宇宙。由於宇宙的膨脹，那些在宇宙早期誕生的恆星輻射出來的光，在到達地球的時候，光的波長會被拉長，我們說光

○ 圖片來源：Mark McCaughrean

當紅移為3（z=3）的時候，我們回顧的是110-120億年前的宇宙。而當紅移為10（z=10）時，我們看到的是宇宙誕生後的幾億年，即第一批恆星和星系開始形成的時候。因此，我們需要建造一臺“時間機器”——一個紅外望遠鏡，去探索一百多億年前的宇宙。

○ JWST就好比是一臺“時間機器”，能夠看到宇宙誕生幾億年後發生的事情。| 圖片來源：NASA

從尋找宇宙中的第一束光到研究星系的誕生和演化，從瞭解恆星和原行星系統的誕生再到觀察行星系統和生命的起源，JWST將為我們理解宇宙帶來全新的認識。

2021年，當JWST成功發射時，將開啟天文學的一個全新時代。

▼ 2018年11月4日，馬克·麥考林在騰訊WE大會上位我們分享了關於JWST的故事。

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