韦伯太空望远镜：天文学的下一个时代

凭着天赋五官，人类开始探索宇宙的浩瀚，并称这趟奇幻之旅为科学。

——哈勃

上个月，NASA 戈达德太空飞行中心传来了令人振奋人心的好消息——NASA的新一代詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）建造已全数完工，预计在2018年发射。在这之前，JWST得先经历一连串严苛的飞行前测试和考验。

詹姆斯·韦伯太空望远镜。（? NASA）

我们知道，哈勃太空望远镜（HST）自发射以来已经为人类探索太空做出了无与伦比的贡献，它所达到的科学成就早就超过了预期，它无疑是人类史上最伟大的发明之一。但是，作为 HST 的继任者，JWST要比 HST 强上100倍，届时定能打开天文学的一个新篇章。

我们首先来对比一下 HST 和 JWST 之间的一些区别：

【大小】

HST 的大小约一辆学校大巴那么大，其主镜的直径为2.4米；而 JWST 有一个网球场那么大，主镜的直径达到6.5米，这意味着它能够收集更多的光。JWST的镜面上镀了一层超薄的黄金膜，可以提高红外反射率。图中看到的每一个镜片都要打磨数年的时间，并在低温环境下进行检测。

詹姆斯·韦伯太空望远镜主镜。（? NASA）

【波长】

HST 的观测波段为可见光和紫外波段，包括了一小部分的红外波段。而 JWST主要的观测波段为红外波段，以及一小部分可见光。

（? NASA）

【轨道】

地球距离太阳大约1.5亿公里，而月球在距离约384，500公里的位置绕着地球转。哈勃太空望远镜在地球上空约570公里的地方绕着地球转。

（? NASA）

JWST 将不会围绕着地球转，它会被发射到距离地球外侧150万公里的第二拉格朗日点上，在这个位置引力相对稳定。

（? NASA）

【看的多远？】

光线传播是需要时间的，因此我们看的越远，就代表我们看到的是越早期的宇宙。由于宇宙的膨胀，宇宙早期的物体辐射出来的光，在到达地球的时候，光的波长会被拉长，我们说光红移了。因此 JWST 主要设计用来观测电磁波谱中的红外波段。

JWST将看到宇宙诞生后的2亿年时发生的事情。（? NASA）

而这个优势就足以让 JWST 探索需要 HST 所不能完成的任务。带着我们对它的期许，JWST 将在四个方面为我们对宇宙带来全新的认识：寻找第一束光和再电离时期，研究星系的诞生和演化，了解恒星和原行星系统的诞生，观察行星系统和生命的起源。

【第一束光】

根据我们目前已经的最好理论预言，在宇宙早期产生的第一批恒星，相比我们的太阳，质量要高出30 - 300倍，亮度也要高出百万倍。然而它们只有几百万年的寿命，最后会在超新星爆发中结束自己的生命。

JWST可以看到第一批恒星和星系的诞生。（? STSci）

第一批恒星会辐射出能量非常高的紫外线，足以轰击分离氢原子，变成电子和质子。对遥远类星体的光谱分析，我们估计这大约发生在宇宙诞生的10亿年左右。这个时期被称为再电离时期。这个过程可以间接的被天文学家用来更好的研究第一批恒星的性质。

我们之所以想要知道这些事因为我们不知道这个时期究竟是什么时候开始的，以及这第一批恒星是如何影响到之后的物体（比如星系）的形成。

同时，第一批恒星也可能坍缩形成黑洞。当这些黑洞被周围物体喂养的时候，它们会先形成小型的类星体。之后就会慢慢的成长并产生我们今天所观测到所有星系中央的超大质量黑洞。

【星系的诞生和演化】

天文学家知道第一批星系大约诞生于宇宙诞生后的10亿年。那个时候的大部分星系都比较小和不规则。虽然我们收集到了许多数据，但是仍然有许多的问题等待着我们去揭开谜底。

星系的分类。（? University of Washington）

科学家不知道星系究竟是怎么诞生的以及是什么决定它们的形状（为什么有些事椭圆有些事螺旋的？），他们也不知道化学元素是怎么在星系内分布的，以及星系中央的黑洞是具体是如何影响它们的寄主星系的。科学家也继续在探索星系之间的碰撞和合并的细节。

星系之间的碰撞产生一条长长的尾巴。（? NASA）

通过分析最早期的星系，就可以跟现在的星系进行对比，我们就可以追踪星系是如何成长和演化的。

【恒星和原行星系统的诞生】

老鹰星云的创生之柱，图中显示的为可见光波段。（? NASA/ESA）

上面这张图片就是著名的创生之柱，它是老鹰星云内圆柱形的星际气体和尘埃，并且是诞生恒星的摇篮。但是 HST 无法窥视这些尘埃的内部，因为恒星辐射出的可见光会被尘埃阻挡。

HST从红外波段拍摄的创生之柱，在尘埃和气体的背后其实隐藏着大量的恒星，JWST将会揭开更多的细节。（? NASA/ESA）

为了揭开恒星和行星的诞生和早期演化的谜团，我们必须能够穿过云团，观测恒星的诞生区域。虽然这些区域对可见光是不透明的，对红外线却是透明的，而这也是JWST的优势所在。除了能够看到恒星的形成，它还可以观测到行星系统形成的许多细节。

ALMA拍摄到的年轻恒星HL Tau 以及它的原行星盘。图中可以清晰的看到盘中的间隙，那是因为行星清扫了自身轨道的尘埃和气体。这是有史以来拍过最清晰的正在形成的恒星系统。（? ALMA）

【行星和生命的起源】

我们发现的第一个太阳系以外的恒星系统是一个脉冲星，而不是像太阳一样的主序星。在那之后我们找到了上千个系外行星。JWST也承担着寻找系外行星的任务，特别是像地球的行星。

凌日法。（? NASA）

JWST寻找系外行星的其中一个方法是凌日法（上图）。如果一颗行星从母恒星盘面的前方横跨时，将可以观察到恒星的亮度会略为下降。结合地面望远镜，就可以推算出行星的质量。JWST也将携带日冕仪直接对系外行星成像。

恒星发出的光经过行星的大气层，通过光谱分析得出大气层含有大量的钠。（? A.Field, STScl）

JWST的另一个主要目的是研究这些系外行星的大气层。当行星经过恒星的时候，星光会穿过大气层。如果大气层中含有钠，那么我们从光谱中会看到钠的“吸收线”。而红外望远镜的优点在于，系外星系的大气层中的分子在红外波段会有许多特点。当然，研究这些的目的是为了找到跟地球相似的大气层。

除此之外，JWST将会探索太阳系自身。比如JWST会帮助我们理解火星大气层中的微量有机物，研究气体巨行星的季节性天气，观测小行星的矿物学等等。JWST也将帮助我们揭开地球上生命的起源之谜。

对以上问题的探索，会彻底改变我们对宇宙的理解。JWST无疑将开启天文学的一个新时代。