類星體沖擊波撕裂星系。圖片來源：Hubble

浩瀚宇宙,，星辰無數(shù),，然而落到我們?nèi)祟愐暰W(wǎng)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(yuǎn)鏡相繼落成。

鷹星云的創(chuàng)生柱,。圖片來源：Hubble

在過去的三十年里,，作為最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡讓人類領(lǐng)略到許多宇宙壯觀的景象,，幫助科學(xué)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(fù)荷工作30多年,，如今的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)垂垂老矣,，故障不斷。

2021年6月19日,，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡因?yàn)橐粋€(gè)有效載荷計(jì)算機(jī)從13日起停止工作,，從而使哈勃處于停機(jī)狀態(tài),。此時(shí)的哈勃望遠(yuǎn)鏡已處于退役的邊緣。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡

那么在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡退役之后,，誰將接過哈勃的接力棒,，繼續(xù)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(yù)計(jì)于2021年12月22日從法屬圭亞那庫魯?shù)陌l(fā)射升空的詹姆斯.韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）,。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡,。圖片來源：NASA

1989年,，在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射的前一年，馬里蘭州巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的一次研討會(huì)上,，構(gòu)建詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡想法浮于紙面,。

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡具有6.5米寬的主鏡,，由18個(gè)六邊形組成,，幾乎是哈勃望遠(yuǎn)鏡的三倍。鏡面如此之大,，以至于在發(fā)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(yuǎn)鏡的6.5米寬的主鏡被折疊起來進(jìn)行發(fā)射,。圖片來源：NASA

韋伯太空望遠(yuǎn)鏡巨型遮陽裝置面積非常大，接近一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)的大小,，具有五層結(jié)構(gòu),，這個(gè)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(yuǎn)鏡上的所有組件都會(huì)安裝在巨型遮陽裝置上,，盡可能降低太陽光對(duì)觀測(cè)的影響。

如此宏大的韋伯太空望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)之初,，估計(jì)的總成本為10億美元,，但是隨著通貨膨脹，等到32年后望遠(yuǎn)鏡落成時(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡有多強(qiáng)大可想而知,。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡,。圖片來源：NASA

按原計(jì)劃，韋伯望遠(yuǎn)鏡本應(yīng)于2014年升空,，但因資金預(yù)算,、疫情,、命名風(fēng)波以及技術(shù)故障等問題一而再，再而三地推遲發(fā)射,。好在望遠(yuǎn)鏡的各個(gè)部件在世界各地的實(shí)驗(yàn)室中相繼成型,，然后在戈達(dá)德完成組裝，終于預(yù)計(jì)于12月22日在庫魯?shù)奶崭郯l(fā)射升空,。

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

為什么要到達(dá)第二個(gè)拉格朗日（L2）,？

因?yàn)樵诶窭嗜拯c(diǎn)上，衛(wèi)星受太陽,、地球兩大天體引力作用,，能保持相對(duì)靜止的點(diǎn)，由法國數(shù)學(xué)家拉格朗日1772年推導(dǎo)證明出,，共有5個(gè),。其中L2位于日地連線上、地球外側(cè)約150萬公里處,，在L2點(diǎn)衛(wèi)星消耗很少的燃料即可長期駐留,，是探測(cè)器、天體望遠(yuǎn)鏡定位和觀測(cè)太陽系的理想位置,。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡,。圖片來源：NASA

并且在這個(gè)位置，地球視直徑可以永遠(yuǎn)地遮擋大部分的太陽輻射,，地球?qū)⑼耆幱陉幇得?，最大程度地減少觀測(cè)時(shí)來自太陽光的干擾。韋伯望遠(yuǎn)鏡也選擇始終背對(duì)地球,，將鏡片指向背對(duì)太陽的宇宙深空,，觀測(cè)隱秘的宇宙。

但是這也是一個(gè)孤獨(dú)的點(diǎn),，因?yàn)槿祟悓o法到達(dá)對(duì)其進(jìn)行維修,，以后的運(yùn)行和維修都將靠韋伯自身完成。

第二個(gè)拉格朗日（L2）

從發(fā)射到穩(wěn)定工作,，韋伯望遠(yuǎn)鏡將面臨精心編排的六個(gè)月的準(zhǔn)備任務(wù),。韋伯望遠(yuǎn)鏡將 到達(dá)既定軌道之后，韋伯會(huì)展開遮陽板,，部署主鏡和次鏡,，然后用兩個(gè)月時(shí)間同步和對(duì)齊鏡面以及望遠(yuǎn)鏡光學(xué)元件，再用一個(gè)月的時(shí)間校準(zhǔn)各種儀器,。一切順利的話,，2022年6月,，人類將會(huì)收到韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的處女秀。

韋伯將在距離地球150萬公里的太空成功運(yùn)行至少五年,，但是耗巨資建造的望遠(yuǎn)鏡一般都會(huì)負(fù)荷工作數(shù)十年,。

在過去31年中，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡改變?nèi)祟悓?duì)宇宙的理解,，而韋伯望遠(yuǎn)鏡比哈勃強(qiáng)大約100倍,。

因此，如果一切按計(jì)劃進(jìn)行,，韋伯望遠(yuǎn)鏡將揭示更加隱秘的宇宙深空,，通過觀察宇宙現(xiàn)象來重塑人對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，那么韋伯望遠(yuǎn)鏡將帶來哪些突破呢,？

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡尋找宇宙中的第一道光,。圖片來源：NASA

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

因?yàn)檫@些穿梭宇宙的光隨著宇宙膨脹，波長持續(xù)被拉長,，即波長較短的光（比如藍(lán)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(yuǎn)鏡不可見,，這就是引力紅移效應(yīng)。

宇宙學(xué)理論認(rèn)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(dá)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(jié)構(gòu)可言。如果這個(gè)時(shí)候有人觀察宇宙,，會(huì)發(fā)現(xiàn)宇宙就像一個(gè)巨大的保溫?zé)粢粯影l(fā)出暗紅的光,。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(xué)家所說的宇宙的“黑暗時(shí)期”,。

黑暗時(shí)期的宇宙并不是完全均勻,，在引力的作用下，小區(qū)域內(nèi)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(tuán)，這些團(tuán)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(fā)出宇宙的第一道光線，自此宇宙黑暗時(shí)期結(jié)束,。

宇宙大爆炸階段

雖然科學(xué)家推測(cè)大爆炸后約40萬年到10億年的時(shí)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(chǔ),。但是他們并不清楚第一道光到底是什么時(shí)候誕生的,？宇宙之中恒星首先形成還是星系首先形成？

與現(xiàn)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(xiàn)在恒星的百萬倍，但生存時(shí)間極短,。它們又亮又熱然后死去,，留下能達(dá)到百倍太陽質(zhì)量的黑洞，這些黑洞有可能成為現(xiàn)今星系形成的種子,。

因此,，天文學(xué)家非常希望能研究這個(gè)神奇又重要的宇宙時(shí)期，但探測(cè)第一道光非常地具有挑戰(zhàn)性,。與當(dāng)今大質(zhì)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(xiàn)在遠(yuǎn)在百億光年之外,。

此外，第一批恒星被它們形成時(shí)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(shí)間才能從這片迷霧中逃出。當(dāng)這些光到達(dá)地球時(shí)，它們已經(jīng)非常暗弱,。

韋伯望遠(yuǎn)鏡將花費(fèi)數(shù)百個(gè)小時(shí)來勘測(cè)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(dāng)130億年前從早期恒星或早期星系發(fā)出的光到達(dá)地球的時(shí)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(qiáng)大的紅外觀測(cè)功能,，它已經(jīng)準(zhǔn)備好觀察138億年前大爆炸創(chuàng)造宇宙后形成的第一批恒星和星系，科學(xué)家堅(jiān)信韋伯肯定會(huì)打破有史以來最遙遠(yuǎn)星系的記錄,，而這個(gè)記錄目前由一個(gè)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(yuǎn)的天文物體，科學(xué)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(shí)間演變,，幫助科學(xué)家更好地了解現(xiàn)代宇宙如何形成。

地外生命是經(jīng)久不衰的話題,，而尋找地外生命使科學(xué)家不得不將目光投向各種各樣的行星,。因此，當(dāng)韋伯不觀察遙遠(yuǎn)的恒星和星系閑暇時(shí)刻,，它將花費(fèi)大量時(shí)間仔細(xì)觀測(cè)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的數(shù)千顆系外行星中的一些,。

它可以看到行星凌日時(shí)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(xì)地揭示行星大氣層的組成,，幫助尋找天文學(xué)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(yùn)行的七顆類似地球大小的行星,，其中三顆位于傳統(tǒng)意義上宜居帶內(nèi),，

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(zhì)與太陽系中已知的任何行星的地質(zhì)結(jié)構(gòu)都不同,。韋伯的紅外探測(cè)器會(huì)探測(cè)到K2-141b大氣層中從其表面蒸發(fā)的礦物質(zhì)，甚至可能繪制整個(gè)星球的溫度分布。

太陽系

在韋伯太空望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)各種各樣的系外行星的同時(shí),，也不忘探索太陽系更加細(xì)觀的結(jié)構(gòu),。天文學(xué)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(xì)節(jié)，例如冥王星附近及更遠(yuǎn)處軌道上冰冷的世界的顏色和表面的化學(xué)成分,，它們有助于揭示太陽系起源,。

經(jīng)過多年的等待，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡升空具有劃時(shí)代的意義,，天文學(xué)家已經(jīng)迫不及待地想讓韋伯從哈勃望遠(yuǎn)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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