花了100亿美元的詹姆斯·韦布空间望远镜，到底能看到什么？

美国东部时间2022年7月11日晚，首张由美国国家航空航天局、欧洲航天局与加拿大航天局联合研究开发，史上最强空间望远镜——詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄的全彩深空图像公布，不仅引发全球轰动，也给世人带来宇宙探索的全新震撼。

人类用于探测宇宙的望远镜按其部署位置可分为空间望远镜和地面大型望远镜。

空间望远镜又称太空望远镜或太空天文台，是在外太空观测天体的望远镜。科学家可以利用大型电子计算机远程控制空间望远镜，追踪想要观测的星体。空间望远镜能探测到百亿光年外的宇宙空间。在目前各国运行的空间望远镜中，基础型号能够同时观测约1000个天体，先进型号则可多达4000个。

空间望远镜的优势

相较于地面望远镜，空间望远镜在进行天文观测时具有四大优势：

其一，可接收波段范围更宽的辐射，也就是说空间望远镜能捕捉到更多的光信号，因此在同一范围内可比地面望远镜发现更多的天体信息。

其二，因在宇宙空间不受大气的干扰，光学望远镜的分辨本领可达到它的衍射极限。大气干扰主要表现在两方面，首先是大气湍流的影响。大气湍流是大气重要的运动形式之一，是因不同层级或不同区域的空气受热不均引起的，简单说就是大气层的冷热不均导致大气层中的物质分布也不均匀，相当于我们在一个气泡内观测宇宙，看到的宇宙图像会出现闪烁和模糊，影响视宁度（指望远镜显示图像的清晰度），进而影响观测的准确性。晴朗夜空看到星星忽明忽暗，仿佛在眨眼，就是大气湍流造成的。另一方面是大气层会影响光的传播路径，发生光的衍射、散射等现象。光的衍射是指光在传播过程中遇到障碍物或小孔时，偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象。光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。而地球大气层中分布和飘浮着很多物质，使得来自遥远宇宙的光穿过地球表面时不可避免地产生偏离，对地面观测造成巨大影响。

其三，天空背景不受大气辉光（指大气在夜间发光现象）和照明灯光的影响，有利于对暗星的探测。尤其因为点像不受大气干扰而变得很锐，对暗星的探测和分光工作都大为有利。

其四，不存在重力引起的结构变形。空间望远镜光学系统的设计和制造比地面望远镜要严格得多，其镜面的精度要求达到0.01微米左右。大口径的镜面在有重力存在的地面上，加工到如此高的精度相当困难。由于在轨运行处于失重状态，不存在重力结构变形，可以有效提高目标跟踪指向精度和像质。

1923年，现代火箭学之父之一的赫尔曼·奥伯特发表的论文《火箭进入行星空间》中提到如何用火箭将望远镜送入太空。空间望远镜的构想于1946年由美国理论天体物理学家莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer Jr）提出。世界第一台伽马射线空间望远镜是苏联于1965年发射的质子1号卫星；第一台X射线空间望远镜是1970年由美国国家航空航天局（NASA）发射的乌呼鲁X射线卫星；第一台成功运行的紫外线空间望远镜是由NASA于1968年发射的轨道天文台2号，搭载了11台紫外线望远镜，它发现了一些彗星周围存在数十万公里宽的“氢云”。

1968年发射的轨道天文台2号，是第一台成功运行的紫外线空间望远镜，收集了彗星、行星和星系的许多紫外线数据。

电磁辐射自高频至低频分为伽马射线区、X射线区、紫外线区、可见光区、红外线区、微波区和无线电区。这其中，可见光区光学望远镜主要用于观察行星、恒星、星系、行星状星云和原行星盘等。自1989年欧洲航天局（ESA）发射首个光学太空天文台后，美国航天局、欧洲航天局等机构相继发射了多个不同类型的包含可见光波长的空间望远镜，其中最著名的是1990年发射的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，缩写HST），它也是詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope, 缩写JWST）升空之前，镜面口径最大的光学望远镜。

哈勃继任者——詹姆斯·韦布

哈勃空间望远镜已工作32年，它一直是人类对宇宙探索中最先进、最顶尖的工具之一，帮助天文学家确定宇宙年龄、确认存在超大质量黑洞、捕捉宇宙深处图像、收集并提供地球太阳系中卫星和行星飞行图像，等等。而随着詹姆斯·韦布拍摄的5张照片的发布，许多人用“新王加冕”形容它。韦布为何能成为哈勃的极致继任者呢？

从严格意义上讲，2021年12月25日发射的詹姆斯·韦布空间望远镜是红外望远镜，波长主要集中在近红外与中红外，可见光范围仅能看到橙光与红光，哈勃则主要在可见光和紫外光下进行观测。红外视图可以穿透宇宙尘埃并揭示隐藏的物体或结构，这意味着韦布可更好地通过尘埃和气体云进行观察，探测到比哈勃更暗的物体，利于研究恒星形成。

韦布是一台红外望远镜，四台科学仪器可捕捉0.6〜28微米波长内的天体图像和光谱信息。

光在宇宙中传播会发生红移现象，即电磁辐射由于某种原因（一般是距离和宇宙膨胀）导致波长增加、频率降低的现象，比如距离地球非常遥远的天体发出的光波抵达地球时可能被拉长为极弱的红外信号，而韦布能捕捉红外信号探测到更深、更久远的宇宙空间，精准弥补了哈勃的波长短板。同时，韦布的主镜比哈勃的大很多，更大的光收集区域意味着可比哈勃追溯更远的时间。韦布的镜面收集面积为25平方米，而哈勃只有4.5平方米。韦布是目前发射的最大空间望远镜，其主镜口径约6.5米，是哈勃的2.7倍以上，由18片铍镜片拼接而成，每片直径1.32米，仅重20千克。选用金属铍为主镜材料，是因为铍的质量轻、强度大，且在低温环境仍能保持形状。由于光传播需要时间，物体距离越远，我们观察到的宇宙年龄就越小。从本质上讲，哈勃可以看到宇宙的“幼儿时期”，而韦布能够看到其“婴儿时期”。

哈勃望远镜主镜口径2.4米，集光面积4.5平方米；韦布望远镜主镜由18个直径为1.32米的六角形镀金铍镜组成，总直径约6.5米，集光面积25平方米。更大的集光面积意味可追溯更远的时间。

韦布主镜选用金属铍，它质量轻、强度大，且在低温环境仍能保持形状。外包100纳米薄黄金涂层增强红外反射率，顶部再封无定形二氧化硅保护层提高耐用性。

此外，哈勃位于近地轨道，在570公里的高度绕地球运行，韦布则位于150万公里外的日地拉格朗日L2点。拉格朗日点又称平动点，即一个小物体在两个大物体的引力作用下，在空间中的一点，小物体相对于两个大物体基本保持静止。作为5个拉格朗日点之一，L2点位于太阳-地球连线的延长线上，受太阳、地球两大天体引力作用平衡，能保持相对静止，即长期驻留消耗较少的燃料。同时，该点是唯一太阳可被地球遮挡，且太阳、地球、月球都位于同侧的点，受到周围红外干扰最少。但韦布并不是静止于该点，而是围绕L2点进行日晕轨道运动，和太阳呈28度夹角，既能很好遮蔽太阳干扰，又能使韦布的太阳能电池板蓄能。但日地拉格朗日L2点据地球甚远，约是地月距离的4倍，人类无法抵达，这意味着韦布若出现问题，不能像哈勃那样派人前去维修。

太阳与地球空间共5个拉格朗日点，韦布位于L2点。该点是唯一太阳可被地球遮挡，且太阳、地球、月球都位于一侧的点，受到周围红外干扰最少。

L2点为不稳定点，因此韦布需使用推进剂维持在该点日晕轨道运动。

哈勃升空后不久，NASA发现其光学元件出现偏差，成像不清晰，于1993年进行第一次维修，宇航员们为其安装了一套修正原有球差缺陷的镜片。

也许通过文字还不能真正认识到两个望远镜之间的差距，下面我们通过对比成像图，更直观地加以认识。

船底座星云是天空中最大、最明亮的星云之一，也是为数不多在南半球上空肉眼可见的星云之一。图中可见巨大、炽热的年轻恒星发出强烈紫外线辐射和恒星风。这个被NASA称为“宇宙悬崖”的结构实际上是位于船底座星云西北角的NGC 3324年轻恒星形成区域边缘，距地球7500光年。得益于韦布的红外视觉，其拍摄的画面细节更清晰。一颗颗年轻的恒星在“山脉”上闪闪发光，其中最年幼的恒星在云层最黑暗的地方以红点的形式显现出来。

韦布拍摄的“宇宙悬崖”，图中云层黑暗处的红点是许多年轻、年幼的恒星。

哈勃拍摄的船底座星云西北角NGC 3324年轻恒星形成区域边缘，此处被称为“宇宙悬崖”。

NGC 3132(南指环星云)其实是2500光年外“垂死的”类太阳恒星的“裹尸布”，图中小的一颗恒星已坍缩成白矮星，留下的一片行星状星云是其爆发出的物质，大的一颗还很年轻。正是韦布穿过尘埃，向人们清晰呈现了星云中的双恒星系统，并揭示出那颗较暗的白矮星实际被笼罩在它自己的小灰尘云中。 

哈勃望远镜拍摄的NGC 3132行星状星云

左为韦布近红外相机拍摄NGC 3132，右为其中红外相机拍摄，清晰呈现了星云中的双恒星系统，较暗的白矮星被笼罩在自己之前喷发的物质中。

斯蒂芬五重星系是距离地球2.1亿〜3.4亿光年致密星系群。虽被称为“五重星系”，看着也确实是5个星系组成的星系团，好似在宇宙中“舞蹈”。但其实最左边的星系NGC 7320距离地球3900万光年，只是与其他4个星系碰巧在同一片天空中。其余4个星系的超大质量的黑洞在吞噬尘埃和气体，由于引力作用，它们碰撞、合并，引发恒星形成，并在整个系统中产生了冲击波，其潮汐尾被韦布清晰捕捉。

4个星系由于引力作用碰撞、合并，其潮汐尾被韦布清晰捕捉。

哈勃拍摄斯蒂芬五重星系

韦布中红外相机捕捉到图右上NGC 7319棒旋星系中的超大质量黑洞

SMACS 0723星系团其实只是南半球天空飞鱼座的一个像素点，相当于在一臂之遥看1粒沙。该星系团的发现源于1995年科学家在哈勃成像中选择的一个空像素点，用了10天时间曝光，本来漆黑一片的图像呈现点点星光。哈勃这张深空图像，也是设立韦布项目的初衷——观测宇宙大爆炸后最初的星系和恒星是如何形成的。韦布仅用12.5小时曝光就捕捉到该区域46亿年前的光线。这张人类历史上最遥远的宇宙图片揭示了宇宙中许多隐藏的结构，特别是图中扭曲的光影，是星系团中的引力透镜。超大质量星系团会使周围的时空发生扭曲，其背后星系的光也能透过引力透镜被看到并呈现放大效果。韦布正好能利用这种效应，探索人类从未窥探过的深空，追溯更深远的时间。图中那些更红的星系距离我们更遥远，此前许多被遗落在哈勃的视野范围之外。如果哈勃可称为“太空之眼”，那么詹姆斯·韦布空间望远镜就是“宇宙之眼”。

SMACS 0723星系团的发现源于1995年科学家在哈勃成像中选择的一个空像素点，用了10天时间曝光，本来漆黑一片的图像呈现点点星光。

韦布仅用12.5小时曝光，就捕捉到该区域46亿年前的光线。它可通过图中的引力透镜探索人类从未窥探过的深空。

展望未来

詹姆斯·韦布空间望远镜并非一夜成名，它的发射时间比原计划晚了15年，更一度成为最大的航天预算黑洞，项目险被取消。正是人们为了看到宇宙最初、最古老的光的强烈信仰，是无数科学家、工程师夜以继日的努力攻破科学壁垒，才有了今天这5张宝贵的图像。韦布的成功也将开启宇宙深空探索的新时代，是一次人类了不起的远征。

从空间望远镜的技术层面说，韦布引领的新方向主要为三方面：

第一，未来的空间望远镜都将是可折叠的。工程师们用工程学的“折纸术”将韦布直径约6.5米镜面分成了3段。折叠技术为人类搭建下一个更大的空间望远镜铺平了道路，未来所有的空间望远镜都将以韦布的大胆设计为基础，因此它就是未来空间望远镜的蓝图。

第二，韦布开启了一个自我调整结构的时代。“韦布望远镜的成功意味着人类已经开始研究如何在太空组装大型结构。在某种意义上，你可以把韦布想象成一个望远镜机器人，它可以在轨道上自行调整。”“韦布的成功标志着太空自动化组装大型结构迈出重要的第一步。这些技术也可能适用于太空模块、太空飞船和空间站。”负责校准韦布主镜段的软件开发工程师如是说。

第三，空间望远镜将使用遮阳板，而不是冷却剂来降温。韦布是一台红外望远镜，红外的本质是温度，而温度又由运动产生。宇宙中没有绝对静止，也就没有绝对零度。所有的物体都会发射红外线，太阳、地球、月亮也不例外。为了遮蔽周围特别是太阳的红外热量干扰，韦布配有风筝形状、由5层聚酰亚胺薄膜E（Kapton E）与铝和掺杂硅涂层组成的遮阳膜。约300平方米的遮阳膜可保证韦布能在-223℃〜-266℃下工作，最大限度减少周边红外干扰。遮阳膜技术的成功，克服了传统空间望远镜因冷却剂缺失停止运行的困境，大大提升了工作寿命。

韦布的5层聚酰亚胺薄膜E与铝和掺杂硅涂层组成的遮阳膜，每层都薄如发丝，约300平方米，可保证韦布能在-223℃以下工作。

韦布之所以引发全球关注，最主要的原因是它能够看到一些最古老的恒星和星系的形成，即能够观察到近140亿年前大爆炸后不久的天体。这项伟大成就将激励即将发射或是建立空间望远镜项目的国家，调整探测方向，向未来进发。同时，韦布还会帮助我们更详细地观察和了解太阳系，更深入地研究和观察系外行星的大气和条件，这对于寻找可能适合生命生存的空间区域至关重要。此外，由于韦布能观测非常遥远的深空，许多研究人员希望它能找到存在生命的系外行星。在围绕距地球40光年外的恒星TRAPPIST-1旋转的系统中，有7颗类似地球大小的行星是科学家认为目前最有可能发现生命的区域。或许人类真的并不孤独，期待韦布给我们答案。

浩渺宇宙，无垠星空，空间望远镜是人类望向深空的眼睛。中国人为了实现星辰大海，将宇宙看得更广、更深、更清晰，预计于2023年发射首个大型空间巡天望远镜。中国科学院国家天文台副台长、中国空间站望远镜科学工作联合中心主任刘继峰表示，中国空间站望远镜非常有气势，大小相当于一辆大客车，立起来有3层楼高，口径为2米，与哈勃的口径相当，但视场（指望远镜所能看到的天空范围）大了350倍。据悉，这台望远镜将与我国的空间站共轨独立飞行，并可与空间站对接，进行燃料补充与维修，覆盖紫外线、可见光与近红外波段。根据中国空间站望远镜科学数据责任科学家李然的介绍，这台中国的“深空之眼”未来前10年将主要致力于通过对天空的广泛观察，了解宇宙的历史和演化，而后将成为旗舰级空间天文设施。

巡天空间望远镜是中国载人航天工程规划建设的大型空间天文望远镜，预计2023年发射，与我国空间站共轨飞行。

随着詹姆斯·韦布空间望远镜的探索，人类对宇宙的认知或将重新建构，宇宙诞生的谜题、一切历史的原点或将揭开，让我们拭目以待。