北京時(shí)間2021年12月25日20：20，萬(wàn)眾期待的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡在法屬圭亞那，由阿麗亞娜5號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

　　上回說(shuō)到韋布望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算花費(fèi)和形態(tài)結(jié)構(gòu)，今天我們接著來(lái)聊一聊這個(gè)最強(qiáng)太空望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)家本領(lǐng)和設(shè)計(jì)原理。

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　　韋布望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)家本領(lǐng)

　　韋布太空望遠(yuǎn)鏡一直以來(lái)都被看做是哈勃的繼任者，確實(shí)他們都是旗艦級(jí)的太空望遠(yuǎn)鏡，但其實(shí)兩者有相當(dāng)大的不同。除了主鏡有效直徑的大小區(qū)別（哈勃主鏡的有效直徑為2.4米，韋布為6.5米），兩者的另一個(gè)重大區(qū)別在于可觀測(cè)的波長(zhǎng)。哈勃主要觀測(cè)的是可見(jiàn)光，而韋布望遠(yuǎn)鏡主要觀測(cè)的是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光。之所以如此設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)原因：一是因?yàn)轫f布的科學(xué)目標(biāo)之一是觀測(cè)遙遠(yuǎn)的早期宇宙，另一個(gè)重要的原因是紅外光對(duì)于宇宙中塵埃的穿透能力比較強(qiáng)。也只有通過(guò)紅外光的觀測(cè)，我們才能穿越宇宙的層層塵埃，捕捉到更古老遙遠(yuǎn)的星系。

　　由于宇宙的膨脹，遙遠(yuǎn)的天體離我們遠(yuǎn)去的速度也很快，導(dǎo)致他們發(fā)出的光線紅移現(xiàn)象非常明顯：宇宙早期遙遠(yuǎn)星系原本發(fā)出的是紫外光，到了今天，波長(zhǎng)已經(jīng)被拉長(zhǎng)變成了紅外光。因此擁有紅外的觀測(cè)能力對(duì)于觀測(cè)早期宇宙來(lái)說(shuō)非常重要，而目前的望遠(yuǎn)鏡在這方面能力不足：要么缺乏紅外觀測(cè)能力，要么主鏡不夠大，無(wú)法探測(cè)暗弱天體。韋布望遠(yuǎn)鏡將會(huì)填補(bǔ)這方面的空白。

　　利用紅外光穿透塵埃能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，我們通過(guò)韋布望遠(yuǎn)鏡可以方便地研究恒星演化的機(jī)制。這是因?yàn)樵谝恍┖阈切纬傻膮^(qū)域，往往同時(shí)存在著大量的塵埃，可見(jiàn)光無(wú)法透過(guò)塵?？吹桨趦?nèi)部的恒星，而韋布望遠(yuǎn)鏡可以通過(guò)探測(cè)恒星發(fā)出的紅外光，透過(guò)塵埃獲得這些恒星的信息。我們來(lái)看看下面這張對(duì)比圖：左側(cè)是哈勃拍攝的可見(jiàn)光的圖像，可以看到整片區(qū)域被塵埃覆蓋，但是卻看不到照亮塵埃的恒星，而在右側(cè)的圖像是同一片區(qū)域紅外光的圖像，被塵埃包裹的恒星清晰可見(jiàn)。

　　|?圖源：NASA， ESA/Hubble and the Hubble Heritage Team

　　此外，系外行星也是韋布望遠(yuǎn)鏡的主要研究方向之一。在這方面，韋布望遠(yuǎn)鏡將專注于研究已知系外行星的大氣成分，而不是發(fā)現(xiàn)新的系外行星。為了完成這些科學(xué)目標(biāo)，韋布裝備的主要設(shè)備有近紅外相機(jī)NIRCam，中紅外成像儀MIRI，近紅外光譜儀NIRSpec以及近紅外無(wú)縫光譜儀NIRISS。這些儀器都被放置在主鏡后方的一體化科學(xué)儀器艙內(nèi)（見(jiàn)下圖），每臺(tái)設(shè)備之間觀測(cè)波段和數(shù)據(jù)采集方式也不盡相同，這些科學(xué)設(shè)備之間也都有冗余設(shè)計(jì)，觀測(cè)方式相近的幾個(gè)儀器可以互為備份。

　　除了為合作方（主要是美國(guó)宇航局、歐洲空間局和加拿大宇航局）的科學(xué)家保留觀測(cè)時(shí)間，韋布望遠(yuǎn)鏡的大部分觀測(cè)時(shí)間是對(duì)全世界天文學(xué)家開(kāi)放的。自從2017年開(kāi)放第一輪觀測(cè)申請(qǐng)以來(lái)，觀測(cè)計(jì)劃的申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，最終285份觀測(cè)申請(qǐng)被接受，這些觀測(cè)計(jì)劃將占用6000小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間。再加上合作方的觀測(cè)計(jì)劃，韋布望遠(yuǎn)鏡需要在第一年的時(shí)間內(nèi)，幾乎一刻不停地觀測(cè)才能完成任務(wù)，足以見(jiàn)得韋布的能力令整個(gè)天文學(xué)界都十分期待。

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　　韋布為啥長(zhǎng)這樣？

　　韋布望遠(yuǎn)鏡的外觀看上去和哈勃望遠(yuǎn)鏡非常不同。韋布望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有將整個(gè)望遠(yuǎn)鏡包裹起來(lái)的鏡筒，而是采用了開(kāi)放式的設(shè)計(jì)。此外，在望遠(yuǎn)鏡下方還有好幾層面積很大的薄膜，讓整個(gè)韋布望遠(yuǎn)鏡看起來(lái)就仿佛一艘漂浮在太空中的帆船。那么，它為什么要設(shè)計(jì)成這個(gè)樣子呢？

　　這些設(shè)計(jì)都是為滿足科學(xué)目標(biāo)服務(wù)的。上一部分我們提到了通過(guò)紅外波段觀測(cè)的好處，由于韋布望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的主要是紅外光，這讓韋布的設(shè)計(jì)與主要觀測(cè)可見(jiàn)光的哈勃大不相同。為了達(dá)到紅外的觀測(cè)條件，韋布望遠(yuǎn)鏡必須在零下200多攝氏度的低溫下工作。這是因?yàn)?，凡是有溫度的物體都會(huì)以電磁波（光）的形式發(fā)出熱輻射。如果讓望遠(yuǎn)鏡在室溫左右的溫度下工作，望遠(yuǎn)鏡本身發(fā)出的熱輻射正好會(huì)處在希望觀測(cè)的那個(gè)波長(zhǎng)，這會(huì)嚴(yán)重干擾到正常的觀測(cè)。就好像你在一個(gè)黑暗的環(huán)境下欣賞夜景，突然有人在旁邊打了一盞燈，原本美麗的夜景就全被燈光蓋住而看不見(jiàn)了。

　　大家看到的主鏡下方風(fēng)箏形狀的五層遮陽(yáng)薄膜，正是為了給望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造一個(gè)這樣的低溫環(huán)境而設(shè)計(jì)的，它們的長(zhǎng)寬大約和一塊網(wǎng)球場(chǎng)差不多。如果沒(méi)有這些薄膜，那么在陽(yáng)光的輻射之下，望遠(yuǎn)鏡的溫度將會(huì)非常高，無(wú)法滿足其觀測(cè)條件。而之所以要設(shè)計(jì)成五層是因?yàn)槿绻挥幸粚?，那么那一層遮?yáng)板吸收的熱量會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳到望遠(yuǎn)鏡上， 而多層的設(shè)計(jì)可以將每一層之間的真空當(dāng)做隔熱層，阻斷了熱傳導(dǎo)，陽(yáng)光輻射的熱量每經(jīng)過(guò)一層，被阻擋的就更多。這五層薄膜和鏡片一樣非常輕量化，直面太陽(yáng)的那一層厚度為0.05毫米，而剩下的四層每層則僅有0.025毫米。

　　|?圖源：NASA

　　下圖很直觀的展示了韋布望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)時(shí)所處的溫度。遮陽(yáng)薄膜朝太陽(yáng)一側(cè)（供電、發(fā)動(dòng)機(jī)、計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備）的溫度將會(huì)達(dá)到約85攝氏度，而背對(duì)太陽(yáng)的一側(cè)（科學(xué)儀器、主鏡）通過(guò)向太空輻射熱量，將會(huì)降溫到零下233攝氏度（部分設(shè)備還需要通過(guò)液氦冷凍機(jī)來(lái)進(jìn)一步降溫），兩者的溫差達(dá)到了驚人的300攝氏度。

　　結(jié)語(yǔ)

　　無(wú)論從何種角度講，韋布望遠(yuǎn)鏡確實(shí)是一臺(tái)劃時(shí)代的太空望遠(yuǎn)鏡。讓我們期待一下，“命運(yùn)多舛”的它在之后的旅程當(dāng)中一路順利，為地球上的人類帶來(lái)劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。和哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前一樣，科學(xué)家們已經(jīng)在思考下一代的太空望遠(yuǎn)鏡了，其中一個(gè)有力的競(jìng)爭(zhēng)者就是LUVOIR，這是一臺(tái)尺寸更大（可能16米級(jí)），觀測(cè)范圍從紫外到紅外的望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)，希望它不要成為新一代的“鴿王”了。

　　最后感謝圣瑪麗大學(xué)的Marcin Sawicki教授對(duì)本文寫(xiě)作的幫助。

　　參考資料：JWST官網(wǎng)、STScI網(wǎng)站、維基百科

　　作者：Lejay（加拿大圣瑪麗大學(xué)在讀天體物理學(xué)博士）

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