憑著天賦五官,，人類開(kāi)始探索宇宙的浩瀚,，并稱這趟奇幻之旅為科學(xué)。

——哈勃

上個(gè)月,，NASA 戈達(dá)德太空飛行中心傳來(lái)了令人振奮人心的好消息——NASA的新一代詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope,，JWST）建造已全數(shù)完工，預(yù)計(jì)在2018年發(fā)射,。在這之前,，JWST得先經(jīng)歷一連串嚴(yán)苛的飛行前測(cè)試和考驗(yàn)。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡,。（? NASA）

我們知道,，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）自發(fā)射以來(lái)已經(jīng)為人類探索太空做出了無(wú)與倫比的貢獻(xiàn)，它所達(dá)到的科學(xué)成就早就超過(guò)了預(yù)期,，它無(wú)疑是人類史上最偉大的發(fā)明之一,。但是，作為 HST 的繼任者,，JWST要比 HST 強(qiáng)上100倍,，屆時(shí)定能打開(kāi)天文學(xué)的一個(gè)新篇章。

我們首先來(lái)對(duì)比一下 HST 和 JWST 之間的一些區(qū)別：

【大小】

HST 的大小約一輛學(xué)校大巴那么大，其主鏡的直徑為2.4米,；而 JWST 有一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)那么大,，主鏡的直徑達(dá)到6.5米，這意味著它能夠收集更多的光,。JWST的鏡面上鍍了一層超薄的黃金膜,，可以提高紅外反射率。圖中看到的每一個(gè)鏡片都要打磨數(shù)年的時(shí)間,，并在低溫環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè),。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡主鏡。（? NASA）

【波長(zhǎng)】

HST 的觀測(cè)波段為可見(jiàn)光和紫外波段,，包括了一小部分的紅外波段,。而 JWST主要的觀測(cè)波段為紅外波段，以及一小部分可見(jiàn)光,。

（? NASA）

【軌道】

地球距離太陽(yáng)大約1.5億公里,，而月球在距離約384，500公里的位置繞著地球轉(zhuǎn),。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在地球上空約570公里的地方繞著地球轉(zhuǎn),。

（? NASA）

JWST 將不會(huì)圍繞著地球轉(zhuǎn)，它會(huì)被發(fā)射到距離地球外側(cè)150萬(wàn)公里的第二拉格朗日點(diǎn)上,，在這個(gè)位置引力相對(duì)穩(wěn)定,。

（? NASA）

【看的多遠(yuǎn)？】

光線傳播是需要時(shí)間的,，因此我們看的越遠(yuǎn),，就代表我們看到的是越早期的宇宙。由于宇宙的膨脹,，宇宙早期的物體輻射出來(lái)的光,，在到達(dá)地球的時(shí)候，光的波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng),，我們說(shuō)光紅移了,。因此 JWST 主要設(shè)計(jì)用來(lái)觀測(cè)電磁波譜中的紅外波段。

JWST將看到宇宙誕生后的2億年時(shí)發(fā)生的事情,。（? NASA）

而這個(gè)優(yōu)勢(shì)就足以讓 JWST 探索需要 HST 所不能完成的任務(wù),。帶著我們對(duì)它的期許，JWST 將在四個(gè)方面為我們對(duì)宇宙帶來(lái)全新的認(rèn)識(shí)：尋找第一束光和再電離時(shí)期,，研究星系的誕生和演化,，了解恒星和原行星系統(tǒng)的誕生，觀察行星系統(tǒng)和生命的起源,。

【第一束光】

根據(jù)我們目前已經(jīng)的最好理論預(yù)言,，在宇宙早期產(chǎn)生的第一批恒星,，相比我們的太陽(yáng)，質(zhì)量要高出30 - 300倍,，亮度也要高出百萬(wàn)倍,。然而它們只有幾百萬(wàn)年的壽命，最后會(huì)在超新星爆發(fā)中結(jié)束自己的生命,。

JWST可以看到第一批恒星和星系的誕生,。（? STSci）

第一批恒星會(huì)輻射出能量非常高的紫外線，足以轟擊分離氫原子,，變成電子和質(zhì)子,。對(duì)遙遠(yuǎn)類星體的光譜分析，我們估計(jì)這大約發(fā)生在宇宙誕生的10億年左右,。這個(gè)時(shí)期被稱為再電離時(shí)期,。這個(gè)過(guò)程可以間接的被天文學(xué)家用來(lái)更好的研究第一批恒星的性質(zhì)。

我們之所以想要知道這些事因?yàn)槲覀儾恢肋@個(gè)時(shí)期究竟是什么時(shí)候開(kāi)始的,，以及這第一批恒星是如何影響到之后的物體（比如星系）的形成,。

同時(shí)，第一批恒星也可能坍縮形成黑洞,。當(dāng)這些黑洞被周圍物體喂養(yǎng)的時(shí)候,，它們會(huì)先形成小型的類星體。之后就會(huì)慢慢的成長(zhǎng)并產(chǎn)生我們今天所觀測(cè)到所有星系中央的超大質(zhì)量黑洞,。

【星系的誕生和演化】

天文學(xué)家知道第一批星系大約誕生于宇宙誕生后的10億年,。那個(gè)時(shí)候的大部分星系都比較小和不規(guī)則。雖然我們收集到了許多數(shù)據(jù),，但是仍然有許多的問(wèn)題等待著我們?nèi)ソ议_(kāi)謎底。

星系的分類,。（? University of Washington）

科學(xué)家不知道星系究竟是怎么誕生的以及是什么決定它們的形狀（為什么有些事橢圓有些事螺旋的,？），他們也不知道化學(xué)元素是怎么在星系內(nèi)分布的,，以及星系中央的黑洞是具體是如何影響它們的寄主星系的,。科學(xué)家也繼續(xù)在探索星系之間的碰撞和合并的細(xì)節(jié),。

星系之間的碰撞產(chǎn)生一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴,。（? NASA）

通過(guò)分析最早期的星系，就可以跟現(xiàn)在的星系進(jìn)行對(duì)比,，我們就可以追蹤星系是如何成長(zhǎng)和演化的,。

【恒星和原行星系統(tǒng)的誕生】

老鷹星云的創(chuàng)生之柱，圖中顯示的為可見(jiàn)光波段,。（? NASA/ESA）

上面這張圖片就是著名的創(chuàng)生之柱,，它是老鷹星云內(nèi)圓柱形的星際氣體和塵埃,，并且是誕生恒星的搖籃。但是 HST 無(wú)法窺視這些塵埃的內(nèi)部,，因?yàn)楹阈禽椛涑龅目梢?jiàn)光會(huì)被塵埃阻擋,。

HST從紅外波段拍攝的創(chuàng)生之柱，在塵埃和氣體的背后其實(shí)隱藏著大量的恒星,，JWST將會(huì)揭開(kāi)更多的細(xì)節(jié),。（? NASA/ESA）

為了揭開(kāi)恒星和行星的誕生和早期演化的謎團(tuán)，我們必須能夠穿過(guò)云團(tuán),，觀測(cè)恒星的誕生區(qū)域,。雖然這些區(qū)域?qū)梢?jiàn)光是不透明的，對(duì)紅外線卻是透明的,，而這也是JWST的優(yōu)勢(shì)所在,。除了能夠看到恒星的形成，它還可以觀測(cè)到行星系統(tǒng)形成的許多細(xì)節(jié),。

ALMA拍攝到的年輕恒星HL Tau 以及它的原行星盤(pán),。圖中可以清晰的看到盤(pán)中的間隙，那是因?yàn)樾行乔鍜吡俗陨碥壍赖膲m埃和氣體,。這是有史以來(lái)拍過(guò)最清晰的正在形成的恒星系統(tǒng),。（? ALMA）

【行星和生命的起源】

我們發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)太陽(yáng)系以外的恒星系統(tǒng)是一個(gè)脈沖星，而不是像太陽(yáng)一樣的主序星,。在那之后我們找到了上千個(gè)系外行星,。JWST也承擔(dān)著尋找系外行星的任務(wù)，特別是像地球的行星,。

凌日法,。（? NASA）

JWST尋找系外行星的其中一個(gè)方法是凌日法（上圖）。如果一顆行星從母恒星盤(pán)面的前方橫跨時(shí),，將可以觀察到恒星的亮度會(huì)略為下降,。結(jié)合地面望遠(yuǎn)鏡，就可以推算出行星的質(zhì)量,。JWST也將攜帶日冕儀直接對(duì)系外行星成像,。

恒星發(fā)出的光經(jīng)過(guò)行星的大氣層，通過(guò)光譜分析得出大氣層含有大量的鈉,。（? A.Field, STScl）

JWST的另一個(gè)主要目的是研究這些系外行星的大氣層,。當(dāng)行星經(jīng)過(guò)恒星的時(shí)候，星光會(huì)穿過(guò)大氣層,。如果大氣層中含有鈉,，那么我們從光譜中會(huì)看到鈉的“吸收線”。而紅外望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)在于,，系外星系的大氣層中的分子在紅外波段會(huì)有許多特點(diǎn),。當(dāng)然,，研究這些的目的是為了找到跟地球相似的大氣層。

除此之外,，JWST將會(huì)探索太陽(yáng)系自身,。比如JWST會(huì)幫助我們理解火星大氣層中的微量有機(jī)物，研究氣體巨行星的季節(jié)性天氣,，觀測(cè)小行星的礦物學(xué)等等,。JWST也將幫助我們揭開(kāi)地球上生命的起源之謎。

對(duì)以上問(wèn)題的探索,，會(huì)徹底改變我們對(duì)宇宙的理解,。JWST無(wú)疑將開(kāi)啟天文學(xué)的一個(gè)新時(shí)代。