北京時間2021年12月25日20：20，萬(wan) 眾(zhong) 期待的詹姆斯·韋布空間望遠鏡在法屬圭亞(ya) 那，由阿麗(li) 亞(ya) 娜5號運載火箭發射升空。

　　上回說到韋布望遠鏡的預算花費和形態結構，今天我們(men) 接著來聊一聊這個(ge) 最強太空望遠鏡的獨家本領和設計原理。

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　　韋布望遠鏡的獨家本領

　　韋布太空望遠鏡一直以來都被看做是哈勃的繼任者，確實他們(men) 都是旗艦級的太空望遠鏡，但其實兩(liang) 者有相當大的不同。除了主鏡有效直徑的大小區別（哈勃主鏡的有效直徑為(wei) 2.4米，韋布為(wei) 6.5米），兩(liang) 者的另一個(ge) 重大區別在於(yu) 可觀測的波長。哈勃主要觀測的是可見光，而韋布望遠鏡主要觀測的是波長較長的紅外光。之所以如此設計主要有兩(liang) 個(ge) 原因：一是因為(wei) 韋布的科學目標之一是觀測遙遠的早期宇宙，另一個(ge) 重要的原因是紅外光對於(yu) 宇宙中塵埃的穿透能力比較強。也隻有通過紅外光的觀測，我們(men) 才能穿越宇宙的層層塵埃，捕捉到更古老遙遠的星係。

　　由於(yu) 宇宙的膨脹，遙遠的天體(ti) 離我們(men) 遠去的速度也很快，導致他們(men) 發出的光線紅移現象非常明顯：宇宙早期遙遠星係原本發出的是紫外光，到了今天，波長已經被拉長變成了紅外光。因此擁有紅外的觀測能力對於(yu) 觀測早期宇宙來說非常重要，而目前的望遠鏡在這方麵能力不足：要麽(me) 缺乏紅外觀測能力，要麽(me) 主鏡不夠大，無法探測暗弱天體(ti) 。韋布望遠鏡將會(hui) 填補這方麵的空白。

　　利用紅外光穿透塵埃能力較強的特點，我們(men) 通過韋布望遠鏡可以方便地研究恒星演化的機製。這是因為(wei) 在一些恒星形成的區域，往往同時存在著大量的塵埃，可見光無法透過塵埃看到包裹在內(nei) 部的恒星，而韋布望遠鏡可以通過探測恒星發出的紅外光，透過塵埃獲得這些恒星的信息。我們(men) 來看看下麵這張對比圖：左側(ce) 是哈勃拍攝的可見光的圖像，可以看到整片區域被塵埃覆蓋，但是卻看不到照亮塵埃的恒星，而在右側(ce) 的圖像是同一片區域紅外光的圖像，被塵埃包裹的恒星清晰可見。

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

　　此外，係外行星也是韋布望遠鏡的主要研究方向之一。在這方麵，韋布望遠鏡將專(zhuan) 注於(yu) 研究已知係外行星的大氣成分，而不是發現新的係外行星。為(wei) 了完成這些科學目標，韋布裝備的主要設備有近紅外相機NIRCam，中紅外成像儀(yi) MIRI，近紅外光譜儀(yi) NIRSpec以及近紅外無縫光譜儀(yi) NIRISS。這些儀(yi) 器都被放置在主鏡後方的一體(ti) 化科學儀(yi) 器艙內(nei) （見下圖），每台設備之間觀測波段和數據采集方式也不盡相同，這些科學設備之間也都有冗餘(yu) 設計，觀測方式相近的幾個(ge) 儀(yi) 器可以互為(wei) 備份。

　　除了為(wei) 合作方（主要是美國宇航局、歐洲空間局和加拿大宇航局）的科學家保留觀測時間，韋布望遠鏡的大部分觀測時間是對全世界天文學家開放的。自從(cong) 2017年開放第一輪觀測申請以來，觀測計劃的申請競爭(zheng) 激烈，最終285份觀測申請被接受，這些觀測計劃將占用6000小時的觀測時間。再加上合作方的觀測計劃，韋布望遠鏡需要在第一年的時間內(nei) ，幾乎一刻不停地觀測才能完成任務，足以見得韋布的能力令整個(ge) 天文學界都十分期待。

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　　韋布為(wei) 啥長這樣？

　　韋布望遠鏡的外觀看上去和哈勃望遠鏡非常不同。韋布望遠鏡沒有將整個(ge) 望遠鏡包裹起來的鏡筒，而是采用了開放式的設計。此外，在望遠鏡下方還有好幾層麵積很大的薄膜，讓整個(ge) 韋布望遠鏡看起來就仿佛一艘漂浮在太空中的帆船。那麽(me) ，它為(wei) 什麽(me) 要設計成這個(ge) 樣子呢？

　　這些設計都是為(wei) 滿足科學目標服務的。上一部分我們(men) 提到了通過紅外波段觀測的好處，由於(yu) 韋布望遠鏡觀測的主要是紅外光，這讓韋布的設計與(yu) 主要觀測可見光的哈勃大不相同。為(wei) 了達到紅外的觀測條件，韋布望遠鏡必須在零下200多攝氏度的低溫下工作。這是因為(wei) ，凡是有溫度的物體(ti) 都會(hui) 以電磁波（光）的形式發出熱輻射。如果讓望遠鏡在室溫左右的溫度下工作，望遠鏡本身發出的熱輻射正好會(hui) 處在希望觀測的那個(ge) 波長，這會(hui) 嚴(yan) 重幹擾到正常的觀測。就好像你在一個(ge) 黑暗的環境下欣賞夜景，突然有人在旁邊打了一盞燈，原本美麗(li) 的夜景就全被燈光蓋住而看不見了。

　　大家看到的主鏡下方風箏形狀的五層遮陽薄膜，正是為(wei) 了給望遠鏡創造一個(ge) 這樣的低溫環境而設計的，它們(men) 的長寬大約和一塊網球場差不多。如果沒有這些薄膜，那麽(me) 在陽光的輻射之下，望遠鏡的溫度將會(hui) 非常高，無法滿足其觀測條件。而之所以要設計成五層是因為(wei) 如果隻有一層，那麽(me) 那一層遮陽板吸收的熱量會(hui) 通過熱傳(chuan) 導的方式傳(chuan) 到望遠鏡上， 而多層的設計可以將每一層之間的真空當做隔熱層，阻斷了熱傳(chuan) 導，陽光輻射的熱量每經過一層，被阻擋的就更多。這五層薄膜和鏡片一樣非常輕量化，直麵太陽的那一層厚度為(wei) 0.05毫米，而剩下的四層每層則僅(jin) 有0.025毫米。

　　| 圖源：NASA

　　下圖很直觀的展示了韋布望遠鏡在觀測時所處的溫度。遮陽薄膜朝太陽一側(ce) （供電、發動機、計算機和通信設備）的溫度將會(hui) 達到約85攝氏度，而背對太陽的一側(ce) （科學儀(yi) 器、主鏡）通過向太空輻射熱量，將會(hui) 降溫到零下233攝氏度（部分設備還需要通過液氦冷凍機來進一步降溫），兩(liang) 者的溫差達到了驚人的300攝氏度。

　　結語

　　無論從(cong) 何種角度講，韋布望遠鏡確實是一台劃時代的太空望遠鏡。讓我們(men) 期待一下，“命運多舛”的它在之後的旅程當中一路順利，為(wei) 地球上的人類帶來劃時代的科學發現。和哈勃望遠鏡發射之前一樣，科學家們(men) 已經在思考下一代的太空望遠鏡了，其中一個(ge) 有力的競爭(zheng) 者就是LUVOIR，這是一台尺寸更大（可能16米級），觀測範圍從(cong) 紫外到紅外的望遠鏡。不過，希望它不要成為(wei) 新一代的“鴿王”了。

　　最後感謝聖瑪麗(li) 大學的Marcin Sawicki教授對本文寫(xie) 作的幫助。

　　參考資料：JWST官網、STScI網站、維基百科

　　作者：Lejay（加拿大聖瑪麗(li) 大學在讀天體(ti) 物理學博士）

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