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类星体冲击波撕裂星系。图片来源：Hubble 浩瀚宇宙，星辰无数，然而落到我们人类视网膜中的不足7000颗。 为了能囊括最璀璨的星空，追溯宇宙最古老的星光，一架架天文望远镜相继落成。 鹰星云的创生柱。图片来源：Hubble 在过去的三十年里，作为最强大的太空望远镜，哈勃太空望远镜让人类领略到许多宇宙壮观的景象，帮助科学家探索到许多宇宙的奥秘，绘制出迄今最完整最全面的宇宙图谱。 猎户座星云。图片来源：Hubble 然而廉颇老矣，尚能饭否？负荷工作30多年，如今的哈勃太空望远镜已经垂垂老矣，故障不断。 2021年6月19日，哈勃太空望远镜因为一个有效载荷计算机从13日起停止工作，从而使哈勃处于停机状态。此时的哈勃望远镜已处于退役的边缘。 哈勃太空望远镜 那么在哈勃太空望远镜退役之后，谁将接过哈勃的接力棒，继续帮助人类探索亿万光年外的神秘宇宙呢？ 毫无疑问，那就是预计于2021年12月22日从法属圭亚那库鲁的发射升空的詹姆斯.韦伯太空望远镜（JWST）。 32年，从构思到落成 詹姆斯·韦伯太空望远镜。图片来源：NASA 1989年，在哈勃太空望远镜发射的前一年，马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的一次研讨会上，构建詹姆斯韦伯太空望远镜想法浮于纸面。 韦伯太空望远镜具有6.5米宽的主镜，由18个六边形组成，几乎是哈勃望远镜的三倍。镜面如此之大，以至于在发射过程中，这些镜面必须像折纸一样折叠起来，等到在太空才能依次展开。 詹姆斯·韦伯太空望远镜的6.5米宽的主镜被折叠起来进行发射。图片来源：NASA 韦伯太空望远镜巨型遮阳装置面积非常大，接近一个网球场的大小，具有五层结构，这个巨型遮阳装置不仅可以把太阳光挡在身后，还要有非常精确的定位装置，望远镜上的所有组件都会安装在巨型遮阳装置上，尽可能降低太阳光对观测的影响。 如此宏大的韦伯太空望远镜设计之初，估计的总成本为10亿美元，但是随着通货膨胀，等到32年后望远镜落成时已耗资110亿美元，成为迄今为止人类有史以来最昂贵的天文望远镜。相比于中国耗11.5亿巨资建造出的“中国天眼”，韦伯太空望远镜有多强大可想而知。 詹姆斯·韦伯太空望远镜。图片来源：NASA 按原计划，韦伯望远镜本应于2014年升空，但因资金预算、疫情、命名风波以及技术故障等问题一而再，再而三地推迟发射。好在望远镜的各个部件在世界各地的实验室中相继成型，然后在戈达德完成组装，终于预计于12月22日在库鲁的太空港发射升空。 离开地球之后，韦伯太空望远镜将奔赴距离地球150万公里之外的一个点——第二个拉格朗日点作为最终运行轨道，这是将近四倍的地月距离。 为什么要到达第二个拉格朗日（L2）？ 因为在拉格朗日点上，卫星受太阳、地球两大天体引力作用，能保持相对静止的点，由法国数学家拉格朗日1772年推导证明出，共有5个。其中L2位于日地连线上、地球外侧约150万公里处，在L2点卫星消耗很少的燃料即可长期驻留，是探测器、天体望远镜定位和观测太阳系的理想位置。 詹姆斯·韦伯太空望远镜。图片来源：NASA 并且在这个位置，地球视直径可以永远地遮挡大部分的太阳辐射，地球将完全处于阴暗面，最大程度地减少观测时来自太阳光的干扰。韦伯望远镜也选择始终背对地球，将镜片指向背对太阳的宇宙深空，观测隐秘的宇宙。 但是这也是一个孤独的点，因为人类将无法到达对其进行维修，以后的运行和维修都将靠韦伯自身完成。 第二个拉格朗日（L2） 从发射到稳定工作，韦伯望远镜将面临精心编排的六个月的准备任务。韦伯望远镜将 到达既定轨道之后，韦伯会展开遮阳板，部署主镜和次镜，然后用两个月时间同步和对齐镜面以及望远镜光学元件，再用一个月的时间校准各种仪器。一切顺利的话，2022年6月，人类将会收到韦伯太空望远镜的处女秀。 韦伯将在距离地球150万公里的太空成功运行至少五年，但是耗巨资建造的望远镜一般都会负荷工作数十年。 在过去31年中，哈勃太空望远镜改变人类对宇宙的理解，而韦伯望远镜比哈勃强大约100倍。 因此，如果一切按计划进行，韦伯望远镜将揭示更加隐秘的宇宙深空，通过观察宇宙现象来重塑人对宇宙的认识，那么韦伯望远镜将带来哪些突破呢？ 寻找宇宙中的第一道光 詹姆斯·韦伯太空望远镜寻找宇宙中的第一道光。图片来源：NASA 韦伯太空望远镜拥有强大的红外光观测系统，它所能观测到的其中大部分光波波长比哈勃望远镜所能看到的要长，这意味着韦伯可以观测到从更遥远星系发出的光。 因为这些穿梭宇宙的光随着宇宙膨胀，波长持续被拉长，即波长较短的光（比如蓝光）变成波长较长的光（比如红光或者红外光）从而使一般望远镜不可见，这就是引力红移效应。 宇宙学理论认为宇宙始于138亿年前的大爆炸，爆炸之后的宇宙立即开始膨胀并冷却下来。大爆炸一秒之后，宇宙的直径膨胀到百万亿英里，平均温度是100亿摄氏度。 大爆炸后约40万年，宇宙直径达到一千万光年，温度下降到了3000摄氏度。在这段期间，宇宙就像一锅均匀的汤，充斥着高能粒子、辐射、氢和氦，没有任何结构可言。如果这个时候有人观察宇宙，会发现宇宙就像一个巨大的保温灯一样发出暗红的光。
詹姆斯·韦伯太空望远镜红外波段范围。图片来源：NASA 随着宇宙变得越来越大，温度越来越低，早期宇宙逐渐变得越来越稀薄，变得越来越黑暗，这就是科学家所说的宇宙的“黑暗时期”。 黑暗时期的宇宙并不是完全均匀，在引力的作用下，小区域内的气体开始互相聚集，密度越来越大，平滑的宇宙变得充满小气体团，这些团块最终形成恒星，星系，以及宇宙中其他所有东西的种子。 在引力的作用下，第一批恒星和星系形成，开始发出宇宙的第一道光线，自此宇宙黑暗时期结束。
宇宙大爆炸阶段 虽然科学家推测大爆炸后约40万年到10亿年的时期，第一批恒星和星系照亮了宇宙，为今天的星系演化奠定了基础。但是他们并不清楚第一道光到底是什么时候诞生的？宇宙之中恒星首先形成还是星系首先形成？ 与现在的恒星相比，宇宙中的第一批恒星非常特殊，它们的亮度是现在恒星的百万倍，但生存时间极短。它们又亮又热然后死去，留下能达到百倍太阳质量的黑洞，这些黑洞有可能成为现今星系形成的种子。 因此，天文学家非常希望能研究这个神奇又重要的宇宙时期，但探测第一道光非常地具有挑战性。与当今大质量明亮的星系相比，第一批星系非常小，而且由于宇宙的膨胀，它们现在远在百亿光年之外。 此外，第一批恒星被它们形成时剩下的气体包围，这些气体就像雾一样吸收了大部分的光，光辐射需要上亿年的时间才能从这片迷雾中逃出。当这些光到达地球时，它们已经非常暗弱。
韦伯望远镜将花费数百个小时来勘测这片星空，其中一些星系已有130多亿年的历史。图片来源：NASA，ESA 当130亿年前从早期恒星或早期星系发出的光到达地球的时候，它的波长被宇宙膨胀拉长10倍，变成了红外光，意味着这些光的波长比红光还要长。如果要找到第一道光，就必须在红外范围寻找。 由于韦伯强大的红外观测功能，它已经准备好观察138亿年前大爆炸创造宇宙后形成的第一批恒星和星系，科学家坚信韦伯肯定会打破有史以来最遥远星系的记录，而这个记录目前由一个距离地球134亿光年的名为GN-z11的星系保持。 通过观察这些极其遥远的天文物体，科学家可以回答诸如第一批恒星如何组装成星系，以及这些星系如何随时间演变，帮助科学家更好地了解现代宇宙如何形成。 凝视遥远的行星 地外生命是经久不衰的话题，而寻找地外生命使科学家不得不将目光投向各种各样的行星。因此，当韦伯不观察遥远的恒星和星系闲暇时刻，它将花费大量时间仔细观测科学家们发现的数千颗系外行星中的一些。 它可以看到行星凌日时行星滑过恒星的表面的掠影，恒星的光线短暂地穿过行星的大气层。韦伯的光谱分析可以比以往更详细地揭示行星大气层的组成，帮助寻找天文学家特别热衷于寻找甲烷和水等生命迹象的分子。
TRAPPIST-1星系 在入住的第一年，韦伯将研究一些最著名的系外行星，例如围绕恒星TRAPPIST-1运行的七颗类似地球大小的行星，其中三颗位于传统意义上宜居带内， 例如行星K2-141b，大小仅为地球的1.5倍，但是它离自己恒星如此之近，以至于它的一部分被熔化。这是一颗罕见的"熔岩行星"的例子，其地质与太阳系中已知的任何行星的地质结构都不同。韦伯的红外探测器会探测到K2-141b大气层中从其表面蒸发的矿物质，甚至可能绘制整个星球的温度分布。
太阳系 在韦伯太空望远镜瞄准各种各样的系外行星的同时，也不忘探索太阳系更加细观的结构。天文学家希望利用韦伯广泛的波长范围来揭示太阳系行星以前看不见的细节，例如冥王星附近及更远处轨道上冰冷的世界的颜色和表面的化学成分，它们有助于揭示太阳系起源。 经过多年的等待，韦伯太空望远镜升空具有划时代的意义，天文学家已经迫不及待地想让韦伯从哈勃望远镜手中接过探索宇宙的接力棒，站在巨人的肩膀上眺望星辰大海。 参考资料：https://www./articles/d41586-021-03620-1
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