JWST，绝不止是“鸽王”……咳，绝不只是哈勃2.0！

作为航天器中的超级明星，哈勃空间望远镜（HST）的继任者，韦布空间望远镜（JWST）到底有何能耐？又将如何引领我们对宇宙的认知？

JWST，全村的希望？

JWST，韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope – JWST）是美国航天局（NASA）、欧洲空间局和加拿大宇航局联合研发的红外线观测用空间望远镜项目。经历了数年的推迟和数十亿美元的预算超支后，JWST计划（目前）于2021年3月发射。

JWST想象图。/ spacetelescope.org

虽然发射日期一再推迟，顶着“鸽王望远镜”头衔的JWST仍将成为红外望远镜里毋庸置疑的冠军。它是有史以来人类建造的最巨大、最复杂、最强大的空间望远镜。尽管已经花费了累计1亿小时的人工时间，大约97亿美元，但所有的设计者和建造团队都坚信这一切是值得的。

它将给人类提供史无前例的机会，去接近宇宙中那些目前尚无法触及的角落。甚至有人说，如果想要了解从宇宙第一个星系，到其他行星上是否可能存在生命的一切新事物，JWST可能是我们目前唯一的希望。就像它主页上所写的：“不可能的宇宙谜团，终将解开（It’s impossible to solve the mysteries of the universe. Until it’s not.）”

幻想——现实，路漫漫其修远

其实早在1990年哈勃空间望远镜（HST）发射之前，天文学家就开始思考：“哈勃”的下一步是什么？在高地球轨道上安装10米被动冷却的近红外望远镜？或是在月球上安装16米望远镜来研究高红移星系？

1996年，一面直径超过4米，将在远高于地球卫星轨道上运行的红外观测空间望远镜正式提上议程。

左侧：韦布空间望远镜；右侧：哈勃空间望远镜

2002年，建造团队和指导小组选定完毕，这架望远镜被正式命名为韦布空间望远镜。詹姆斯·韦布（James Edwin Webb）并不是天文学家，但他在1961年至1968年担任NASA局长期间，大力支持空间科学任务，并坚持认为无人驾驶任务对于长期的太空探索至关重要。

JWST始造于2004年，2013年之后的几年，其上的科学仪器又经过了无数极端测试，并在2018年后接受了最终的组装和测试，以确保它进入太空后，能够完美地执行复杂的展开过程和科学任务。因为它要前往的地方将比人类旅行过的任何地方都远，所以无法得到宇航员的“售后服务”。

“望远镜，变身！”

因为需要寻找遥远而暗弱的星系，JWST的设计和配置都是顶级的，它需要一面足够大的镜子，以确保能够抓住尽可能多的光子，结果就是：除了网球场大小的遮阳板外，JWST的镜子直径也达到了6.5米，2.4米的HST和它比起来真是相形见绌。

JWST主镜。/ NASA

JWST确实太大了，比目前使用的任何火箭整流罩都要宽得多。显然，把镜子粘在火箭侧面并不是一个可行的解决方案，所以NASA的工程师们把镜子分成了18个六角形子镜，这些六角形子镜将被折叠起来塞进火箭。到时如果一切顺利，在发射几天后，JWST将前往它的观察点，然后完成一套令人眼花缭乱的变型流程，正式上岗。

这个望远镜有点冷

我们都知道光污染阻碍光学望远镜观测，而红外光污染却来自有温度的一切物体。比如，人体产生大约100瓦的红外辐射；地球本身也相当温暖；即使是望远镜本身，身处室温也会发出红外线。因此，在地面上进行红外天文观测可太难了。也正因如此，空间红外望远镜JWST只能背井离乡，去离地球约150万千米的拉格朗日点L2上工作。

但你可能要问了，太阳呢？的确，作为太阳系居民，我们无时无刻不在感受着太阳的温暖——满满都是红外辐射。即使JWST距离地球150万千米远，还是摆脱不了太阳的“关照”。

为了解决这个问题，红外空间望远镜的设计者们有两个选择。最常见的是使用主动冷却系统，将望远镜冷却到适合观测红外波段所需的温度，但这也限制了望远镜的寿命，因为冷却剂耗尽就 = Game Over。

JWST采用的是另一种另辟蹊径的办法。一把巨大而昂贵的太空伞将保护它处于一个温度稳定（零下223摄氏度附近）的阴影之下，这对于它将要研究的红外波长来说是极其理想的。

“哈勃”之外的世界

虽然JWST常常被称作哈勃望远镜的“接班人”，但其实这个说法并不准确。HST是光学望远镜，它捕捉的波长与人眼工作的波长相近，就像一只绕轨道运行的太空巨眼；而JWST将完全在红外波段进行观测。换句话说，JWST将研究的宇宙在很大程度上是人类所看不到的。

那么，什么是红外？为什么要选择红外？

“创生之柱”的光学和红外图像对比。左图：光学；右图：红外。/ NASA

首先，宇宙中有些天体在红外波段的观测效果更好。比如一些很冷的物质，没有太多能量或可见的亮度，但是它们仍在红外波段存在辐射。对于人类来说，这种辐射就是热，而对于其他一些动物比如蛇，就能够“看到”红外能量。

其次，宇宙空间中充满了尘埃云，但由于可见光波长短而窄，容易被尘埃粒子散射或吸收，所以常常被尘埃挡住无法被我们看到。幸运的是，波长更长的红外光可以更容易从尘埃中穿过，因此探测红外光的仪器能够看到在尘埃云中发出红外光的物体。

如果一架望远镜可以探测到可见光范围以外的光，就可以向我们展示宇宙中许多隐匿的区域，因此红外光对天文学有着非同一般的重要性。通过红外观测，JWST将揭示一个隐藏的、正在形成恒星和行星的宇宙，一个对人眼来说不可见的宇宙。

最后一点也是最神奇的一点，红外光也为我们提供了一台“时光机”。虽然对于人类来说光速的延迟快到无法察觉，但在天文学上，我们常常会面对这样的事实：光从地球到月球，需要1.3秒；光在宇宙的广阔空间中传播，更需要很多很多年才能到达我们这里。当来自远古第一个星系发出的光穿过太空时，宇宙的膨胀将它原本波长较短的紫外光和可见光拉伸到红外波段，这一过程被称为宇宙红移。

星星和比远方更远的地方

尽管天文学已经有一千多年的历史，仰望繁星满天的天空仍让我们深感敬畏。直到20世纪初，大多数人仍然认为银河系是唯一的“岛宇宙”。但今天，我们知道了银河系不过是宇宙中重多星系中的平凡一员。

JWST的前辈空间望远镜们已经彻底改变了我们对于宇宙及人类在宇宙中位置的认识，接下来，文武双全的它则将向我们揭示隐藏的宇宙、更久远的过去：笼罩在尘埃中的恒星、其他星球大气中的水、宇宙第一次形成星系的过程，甚至来自宇宙中最古老星系的第一缕光线。

制图 / 黎耕

天文学家估计，自从宇宙60亿岁以来，几乎所有的大型星系都至少经历过一次大合并。JWST将重现这段大型星系“战国史”，阐明星系形成的过程。我们也都知道几乎所有星系的心脏位置都有一个黑洞。所以究竟是巨大的早期恒星坍缩形成了第一个黑洞，随后形成星系聚集在其周围？还是恒星首先通过万有引力聚集在一起，然后形成中心黑洞？JWST将帮助我们揭秘星系和黑洞之间的联系。

JWST还将向我们揭示以前从未发现的行星系统形成过程。通过观察与我们不同的恒星和那些世界的形成过程，我们将开始了解自己在宇宙中家园的独特性或非独特性。回答那个恒星生命周期的最后一个未回答的问题也是最初的问题。第一代恒星是如何形成的呢？宇宙的第一代恒星在多大程度上偏离了我们今天熟悉的生命周期？黑洞在早期恒星演化成像银河系这样的大星系的过程中扮演了什么角色？

JWST将阅读宇宙里最古老的红外光，填补关于恒星生命周期史上最早几章的空白。我们将更接近现代天文学的战略目标——发现宇宙的起源和寻找地球以外的生命。或许凭借JWST，我们终于有机会接近宇宙的真相，并终于能够回答那个永恒的命题：“我们从哪里来，又将到哪里去”。

我不是“鸽王”

历史上因为火箭失败或者空间探测器突然停止发射而导致多年努力瞬间化为乌有的情况并不少见。哈勃望远镜在1990年发射前用了20年的时间完成建造，JWST也已经花了15年的时间来准备。在这个考验综合能力的行业中，可能出现的问题太多。

但如果顺利的话，JWST还有一年时间就将发射。希望这次它能一雪前耻，摆脱“鸽王”的称号!

JWST想象图。 / spacetelescope.org

千呼万唤始出来的JWST绝不仅仅是“哈勃”的升级版，如果发射顺利并成功运行，这个了不起的继任者将站在“哈勃”传奇时代的肩膀上，带领我们开启新的天文学征程，探索前所未知的宇宙，相信此前漫长的等待也终会证明它的价值。

JWST了解一下？探寻宇宙暗藏的秘密……

更多内容请阅读《中国国家天文》2020第3期——

作者简介 /

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李海宁，中国科学院国家天文台副研究员，主要从事银河系考古研究。

编辑 / 怀尘

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