花了100億美元的詹姆斯·韋布空間望遠鏡，到底能看到什么？

觀海覽書 2022-09-23 發(fā)布于寧夏

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美國東部時間2022年7月11日晚，首張由美國國家航空航天局、歐洲航天局與加拿大航天局聯(lián)合研究開發(fā)，史上最強空間望遠鏡——詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的全彩深空圖像公布，不僅引發(fā)全球轟動，也給世人帶來宇宙探索的全新震撼。

人類用于探測宇宙的望遠鏡按其部署位置可分為空間望遠鏡和地面大型望遠鏡。

空間望遠鏡又稱太空望遠鏡或太空天文臺，是在外太空觀測天體的望遠鏡?？茖W(xué)家可以利用大型電子計算機遠程控制空間望遠鏡，追蹤想要觀測的星體?？臻g望遠鏡能探測到百億光年外的宇宙空間。在目前各國運行的空間望遠鏡中，基礎(chǔ)型號能夠同時觀測約1000個天體，先進型號則可多達4000個。

空間望遠鏡的優(yōu)勢

相較于地面望遠鏡，空間望遠鏡在進行天文觀測時具有四大優(yōu)勢：

其一，可接收波段范圍更寬的輻射，也就是說空間望遠鏡能捕捉到更多的光信號，因此在同一范圍內(nèi)可比地面望遠鏡發(fā)現(xiàn)更多的天體信息。

其二，因在宇宙空間不受大氣的干擾，光學(xué)望遠鏡的分辨本領(lǐng)可達到它的衍射極限。大氣干擾主要表現(xiàn)在兩方面，首先是大氣湍流的影響。大氣湍流是大氣重要的運動形式之一，是因不同層級或不同區(qū)域的空氣受熱不均引起的，簡單說就是大氣層的冷熱不均導(dǎo)致大氣層中的物質(zhì)分布也不均勻，相當于我們在一個氣泡內(nèi)觀測宇宙，看到的宇宙圖像會出現(xiàn)閃爍和模糊，影響視寧度（指望遠鏡顯示圖像的清晰度），進而影響觀測的準確性。晴朗夜空看到星星忽明忽暗，仿佛在眨眼，就是大氣湍流造成的。另一方面是大氣層會影響光的傳播路徑，發(fā)生光的衍射、散射等現(xiàn)象。光的衍射是指光在傳播過程中遇到障礙物或小孔時，偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象。光的散射是指光通過不均勻介質(zhì)時一部分光偏離原方向傳播的現(xiàn)象。而地球大氣層中分布和飄浮著很多物質(zhì)，使得來自遙遠宇宙的光穿過地球表面時不可避免地產(chǎn)生偏離，對地面觀測造成巨大影響。

其三，天空背景不受大氣輝光（指大氣在夜間發(fā)光現(xiàn)象）和照明燈光的影響，有利于對暗星的探測。尤其因為點像不受大氣干擾而變得很銳，對暗星的探測和分光工作都大為有利。

其四，不存在重力引起的結(jié)構(gòu)變形。空間望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和制造比地面望遠鏡要嚴格得多，其鏡面的精度要求達到0.01微米左右。大口徑的鏡面在有重力存在的地面上，加工到如此高的精度相當困難。由于在軌運行處于失重狀態(tài)，不存在重力結(jié)構(gòu)變形，可以有效提高目標跟蹤指向精度和像質(zhì)。

1923年，現(xiàn)代火箭學(xué)之父之一的赫爾曼·奧伯特發(fā)表的論文《火箭進入行星空間》中提到如何用火箭將望遠鏡送入太空。空間望遠鏡的構(gòu)想于1946年由美國理論天體物理學(xué)家萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer Jr）提出。世界第一臺伽馬射線空間望遠鏡是蘇聯(lián)于1965年發(fā)射的質(zhì)子1號衛(wèi)星；第一臺X射線空間望遠鏡是1970年由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的烏呼魯X射線衛(wèi)星；第一臺成功運行的紫外線空間望遠鏡是由NASA于1968年發(fā)射的軌道天文臺2號，搭載了11臺紫外線望遠鏡，它發(fā)現(xiàn)了一些彗星周圍存在數(shù)十萬公里寬的“氫云”。

1968年發(fā)射的軌道天文臺2號，是第一臺成功運行的紫外線空間望遠鏡，收集了彗星、行星和星系的許多紫外線數(shù)據(jù)。

電磁輻射自高頻至低頻分為伽馬射線區(qū)、X射線區(qū)、紫外線區(qū)、可見光區(qū)、紅外線區(qū)、微波區(qū)和無線電區(qū)。這其中，可見光區(qū)光學(xué)望遠鏡主要用于觀察行星、恒星、星系、行星狀星云和原行星盤等。自1989年歐洲航天局（ESA）發(fā)射首個光學(xué)太空天文臺后，美國航天局、歐洲航天局等機構(gòu)相繼發(fā)射了多個不同類型的包含可見光波長的空間望遠鏡，其中最著名的是1990年發(fā)射的哈勃空間望遠鏡（Hubble Space Telescope，縮寫HST），它也是詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope, 縮寫JWST）升空之前，鏡面口徑最大的光學(xué)望遠鏡。

哈勃繼任者——詹姆斯·韋布

哈勃空間望遠鏡已工作32年，它一直是人類對宇宙探索中最先進、最頂尖的工具之一，幫助天文學(xué)家確定宇宙年齡、確認存在超大質(zhì)量黑洞、捕捉宇宙深處圖像、收集并提供地球太陽系中衛(wèi)星和行星飛行圖像，等等。而隨著詹姆斯·韋布拍攝的5張照片的發(fā)布，許多人用“新王加冕”形容它。韋布為何能成為哈勃的極致繼任者呢？

從嚴格意義上講，2021年12月25日發(fā)射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡是紅外望遠鏡，波長主要集中在近紅外與中紅外，可見光范圍僅能看到橙光與紅光，哈勃則主要在可見光和紫外光下進行觀測。紅外視圖可以穿透宇宙塵埃并揭示隱藏的物體或結(jié)構(gòu)，這意味著韋布可更好地通過塵埃和氣體云進行觀察，探測到比哈勃更暗的物體，利于研究恒星形成。

韋布是一臺紅外望遠鏡，四臺科學(xué)儀器可捕捉0.6?28微米波長內(nèi)的天體圖像和光譜信息。

光在宇宙中傳播會發(fā)生紅移現(xiàn)象，即電磁輻射由于某種原因（一般是距離和宇宙膨脹）導(dǎo)致波長增加、頻率降低的現(xiàn)象，比如距離地球非常遙遠的天體發(fā)出的光波抵達地球時可能被拉長為極弱的紅外信號，而韋布能捕捉紅外信號探測到更深、更久遠的宇宙空間，精準彌補了哈勃的波長短板。同時，韋布的主鏡比哈勃的大很多，更大的光收集區(qū)域意味著可比哈勃追溯更遠的時間。韋布的鏡面收集面積為25平方米，而哈勃只有4.5平方米。韋布是目前發(fā)射的最大空間望遠鏡，其主鏡口徑約6.5米，是哈勃的2.7倍以上，由18片鈹鏡片拼接而成，每片直徑1.32米，僅重20千克。選用金屬鈹為主鏡材料，是因為鈹?shù)馁|(zhì)量輕、強度大，且在低溫環(huán)境仍能保持形狀。由于光傳播需要時間，物體距離越遠，我們觀察到的宇宙年齡就越小。從本質(zhì)上講，哈勃可以看到宇宙的“幼兒時期”，而韋布能夠看到其“嬰兒時期”。

哈勃望遠鏡主鏡口徑2.4米，集光面積4.5平方米；韋布望遠鏡主鏡由18個直徑為1.32米的六角形鍍金鈹鏡組成，總直徑約6.5米，集光面積25平方米。更大的集光面積意味可追溯更遠的時間。

韋布主鏡選用金屬鈹，它質(zhì)量輕、強度大，且在低溫環(huán)境仍能保持形狀。外包100納米薄黃金涂層增強紅外反射率，頂部再封無定形二氧化硅保護層提高耐用性。

此外，哈勃位于近地軌道，在570公里的高度繞地球運行，韋布則位于150萬公里外的日地拉格朗日L2點。拉格朗日點又稱平動點，即一個小物體在兩個大物體的引力作用下，在空間中的一點，小物體相對于兩個大物體基本保持靜止。作為5個拉格朗日點之一，L2點位于太陽-地球連線的延長線上，受太陽、地球兩大天體引力作用平衡，能保持相對靜止，即長期駐留消耗較少的燃料。同時，該點是唯一太陽可被地球遮擋，且太陽、地球、月球都位于同側(cè)的點，受到周圍紅外干擾最少。但韋布并不是靜止于該點，而是圍繞L2點進行日暈軌道運動，和太陽呈28度夾角，既能很好遮蔽太陽干擾，又能使韋布的太陽能電池板蓄能。但日地拉格朗日L2點據(jù)地球甚遠，約是地月距離的4倍，人類無法抵達，這意味著韋布若出現(xiàn)問題，不能像哈勃那樣派人前去維修。

太陽與地球空間共5個拉格朗日點，韋布位于L2點。該點是唯一太陽可被地球遮擋，且太陽、地球、月球都位于一側(cè)的點，受到周圍紅外干擾最少。

L2點為不穩(wěn)定點，因此韋布需使用推進劑維持在該點日暈軌道運動。

哈勃升空后不久，NASA發(fā)現(xiàn)其光學(xué)元件出現(xiàn)偏差，成像不清晰，于1993年進行第一次維修，宇航員們?yōu)槠浒惭b了一套修正原有球差缺陷的鏡片。

也許通過文字還不能真正認識到兩個望遠鏡之間的差距，下面我們通過對比成像圖，更直觀地加以認識。

船底座星云是天空中最大、最明亮的星云之一，也是為數(shù)不多在南半球上空肉眼可見的星云之一。圖中可見巨大、熾熱的年輕恒星發(fā)出強烈紫外線輻射和恒星風(fēng)。這個被NASA稱為“宇宙懸崖”的結(jié)構(gòu)實際上是位于船底座星云西北角的NGC 3324年輕恒星形成區(qū)域邊緣，距地球7500光年。得益于韋布的紅外視覺，其拍攝的畫面細節(jié)更清晰。一顆顆年輕的恒星在“山脈”上閃閃發(fā)光，其中最年幼的恒星在云層最黑暗的地方以紅點的形式顯現(xiàn)出來。

韋布拍攝的“宇宙懸崖”，圖中云層黑暗處的紅點是許多年輕、年幼的恒星。

哈勃拍攝的船底座星云西北角NGC 3324年輕恒星形成區(qū)域邊緣，此處被稱為“宇宙懸崖”。

NGC 3132(南指環(huán)星云)其實是2500光年外“垂死的”類太陽恒星的“裹尸布”，圖中小的一顆恒星已坍縮成白矮星，留下的一片行星狀星云是其爆發(fā)出的物質(zhì)，大的一顆還很年輕。正是韋布穿過塵埃，向人們清晰呈現(xiàn)了星云中的雙恒星系統(tǒng)，并揭示出那顆較暗的白矮星實際被籠罩在它自己的小灰塵云中。

哈勃望遠鏡拍攝的NGC 3132行星狀星云

左為韋布近紅外相機拍攝NGC 3132，右為其中紅外相機拍攝，清晰呈現(xiàn)了星云中的雙恒星系統(tǒng)，較暗的白矮星被籠罩在自己之前噴發(fā)的物質(zhì)中。

斯蒂芬五重星系是距離地球2.1億?3.4億光年致密星系群。雖被稱為“五重星系”，看著也確實是5個星系組成的星系團，好似在宇宙中“舞蹈”。但其實最左邊的星系NGC 7320距離地球3900萬光年，只是與其他4個星系碰巧在同一片天空中。其余4個星系的超大質(zhì)量的黑洞在吞噬塵埃和氣體，由于引力作用，它們碰撞、合并，引發(fā)恒星形成，并在整個系統(tǒng)中產(chǎn)生了沖擊波，其潮汐尾被韋布清晰捕捉。

4個星系由于引力作用碰撞、合并，其潮汐尾被韋布清晰捕捉。

哈勃拍攝斯蒂芬五重星系

韋布中紅外相機捕捉到圖右上NGC 7319棒旋星系中的超大質(zhì)量黑洞

SMACS 0723星系團其實只是南半球天空飛魚座的一個像素點，相當于在一臂之遙看1粒沙。該星系團的發(fā)現(xiàn)源于1995年科學(xué)家在哈勃成像中選擇的一個空像素點，用了10天時間曝光，本來漆黑一片的圖像呈現(xiàn)點點星光。哈勃這張深空圖像，也是設(shè)立韋布項目的初衷——觀測宇宙大爆炸后最初的星系和恒星是如何形成的。韋布僅用12.5小時曝光就捕捉到該區(qū)域46億年前的光線。這張人類歷史上最遙遠的宇宙圖片揭示了宇宙中許多隱藏的結(jié)構(gòu)，特別是圖中扭曲的光影，是星系團中的引力透鏡。超大質(zhì)量星系團會使周圍的時空發(fā)生扭曲，其背后星系的光也能透過引力透鏡被看到并呈現(xiàn)放大效果。韋布正好能利用這種效應(yīng)，探索人類從未窺探過的深空，追溯更深遠的時間。圖中那些更紅的星系距離我們更遙遠，此前許多被遺落在哈勃的視野范圍之外。如果哈勃可稱為“太空之眼”，那么詹姆斯·韋布空間望遠鏡就是“宇宙之眼”。

SMACS 0723星系團的發(fā)現(xiàn)源于1995年科學(xué)家在哈勃成像中選擇的一個空像素點，用了10天時間曝光，本來漆黑一片的圖像呈現(xiàn)點點星光。

韋布僅用12.5小時曝光，就捕捉到該區(qū)域46億年前的光線。它可通過圖中的引力透鏡探索人類從未窺探過的深空。

展望未來

詹姆斯·韋布空間望遠鏡并非一夜成名，它的發(fā)射時間比原計劃晚了15年，更一度成為最大的航天預(yù)算黑洞，項目險被取消。正是人們?yōu)榱丝吹接钪孀畛?、最古老的光的強烈信仰，是無數(shù)科學(xué)家、工程師夜以繼日的努力攻破科學(xué)壁壘，才有了今天這5張寶貴的圖像。韋布的成功也將開啟宇宙深空探索的新時代，是一次人類了不起的遠征。

從空間望遠鏡的技術(shù)層面說，韋布引領(lǐng)的新方向主要為三方面：

第一，未來的空間望遠鏡都將是可折疊的。工程師們用工程學(xué)的“折紙術(shù)”將韋布直徑約6.5米鏡面分成了3段。折疊技術(shù)為人類搭建下一個更大的空間望遠鏡鋪平了道路，未來所有的空間望遠鏡都將以韋布的大膽設(shè)計為基礎(chǔ)，因此它就是未來空間望遠鏡的藍圖。

第二，韋布開啟了一個自我調(diào)整結(jié)構(gòu)的時代。“韋布望遠鏡的成功意味著人類已經(jīng)開始研究如何在太空組裝大型結(jié)構(gòu)。在某種意義上，你可以把韋布想象成一個望遠鏡機器人，它可以在軌道上自行調(diào)整?！薄绊f布的成功標志著太空自動化組裝大型結(jié)構(gòu)邁出重要的第一步。這些技術(shù)也可能適用于太空模塊、太空飛船和空間站?！必撠?zé)校準韋布主鏡段的軟件開發(fā)工程師如是說。

第三，空間望遠鏡將使用遮陽板，而不是冷卻劑來降溫。韋布是一臺紅外望遠鏡，紅外的本質(zhì)是溫度，而溫度又由運動產(chǎn)生。宇宙中沒有絕對靜止，也就沒有絕對零度。所有的物體都會發(fā)射紅外線，太陽、地球、月亮也不例外。為了遮蔽周圍特別是太陽的紅外熱量干擾，韋布配有風(fēng)箏形狀、由5層聚酰亞胺薄膜E（Kapton E）與鋁和摻雜硅涂層組成的遮陽膜。約300平方米的遮陽膜可保證韋布能在-223℃?-266℃下工作，最大限度減少周邊紅外干擾。遮陽膜技術(shù)的成功，克服了傳統(tǒng)空間望遠鏡因冷卻劑缺失停止運行的困境，大大提升了工作壽命。

韋布的5層聚酰亞胺薄膜E與鋁和摻雜硅涂層組成的遮陽膜，每層都薄如發(fā)絲，約300平方米，可保證韋布能在-223℃以下工作。

韋布之所以引發(fā)全球關(guān)注，最主要的原因是它能夠看到一些最古老的恒星和星系的形成，即能夠觀察到近140億年前大爆炸后不久的天體。這項偉大成就將激勵即將發(fā)射或是建立空間望遠鏡項目的國家，調(diào)整探測方向，向未來進發(fā)。同時，韋布還會幫助我們更詳細地觀察和了解太陽系，更深入地研究和觀察系外行星的大氣和條件，這對于尋找可能適合生命生存的空間區(qū)域至關(guān)重要。此外，由于韋布能觀測非常遙遠的深空，許多研究人員希望它能找到存在生命的系外行星。在圍繞距地球40光年外的恒星TRAPPIST-1旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中，有7顆類似地球大小的行星是科學(xué)家認為目前最有可能發(fā)現(xiàn)生命的區(qū)域?；蛟S人類真的并不孤獨，期待韋布給我們答案。

浩渺宇宙，無垠星空，空間望遠鏡是人類望向深空的眼睛。中國人為了實現(xiàn)星辰大海，將宇宙看得更廣、更深、更清晰，預(yù)計于2023年發(fā)射首個大型空間巡天望遠鏡。中國科學(xué)院國家天文臺副臺長、中國空間站望遠鏡科學(xué)工作聯(lián)合中心主任劉繼峰表示，中國空間站望遠鏡非常有氣勢，大小相當于一輛大客車，立起來有3層樓高，口徑為2米，與哈勃的口徑相當，但視場（指望遠鏡所能看到的天空范圍）大了350倍。據(jù)悉，這臺望遠鏡將與我國的空間站共軌獨立飛行，并可與空間站對接，進行燃料補充與維修，覆蓋紫外線、可見光與近紅外波段。根據(jù)中國空間站望遠鏡科學(xué)數(shù)據(jù)責(zé)任科學(xué)家李然的介紹，這臺中國的“深空之眼”未來前10年將主要致力于通過對天空的廣泛觀察，了解宇宙的歷史和演化，而后將成為旗艦級空間天文設(shè)施。

巡天空間望遠鏡是中國載人航天工程規(guī)劃建設(shè)的大型空間天文望遠鏡，預(yù)計2023年發(fā)射，與我國空間站共軌飛行。

隨著詹姆斯·韋布空間望遠鏡的探索，人類對宇宙的認知或?qū)⒅匦陆?gòu)，宇宙誕生的謎題、一切歷史的原點或?qū)⒔议_，讓我們拭目以待。