“时间机器”——JWST
“时间机器”——JWSTOriginal
Zwicky
原理
2 days ago
1990年4月，哈勃太空望远镜（HST）承载着人们对探索宇宙的渴望，终于成功地飞向太空。但正如所有伟大的事物一样，HST在成就自己的一番伟业之前并非一帆风顺。
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○ 哈勃太空望远镜。| 图片来源：ESA, NASA, Alex Gerst
事实上，它在升空后就遭遇了一场重大危机：传回来的图片出现了严重问题，画质全是模糊的！这个严重的光学缺陷，被称为球面像差。在那个期间，他们成了各大媒体编写段子的对象。但很快，NASA就派宇航员前往太空执行任务，对望远镜进行维修，成功地挽回了他们的声誉。
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○ 哈勃太空望远镜在发射后传回来的画质模糊（左），右边为修复后的。
到了1995年，HST团队的领导人Robert Williams作了一次在当时看来非常大胆的尝试。他决定，将望远镜对准一片没有任何物体的区域。如果你举起一枚大头针，那么Williams想要观测的天空区域就只有针头般的大小。谁也没想到，就在这片补丁般大小的背后，HST看到的却是令人震惊的一幕：
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1925年，埃德温·哈勃的观测告诉我们，银河系并非宇宙中的唯一星系。而哈勃太空望远镜拍摄的这张图片告诉我们，宇宙中的星系比我们想象的更多。自那之后，我们才开始慢慢地更好的理解星系的形成和演化，以及宇宙的历史。而这仅仅只是HST在过去的28年中做出的众多贡献之一。
今天我们知道，在银河系之中大约有2000亿颗恒星，我们的太阳不过是众星中一员，并没有任何特别之处。而银河系本身，也只是众多不同形态的星系中的一个。
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○ 银河以及大、小麦哲伦星云。| 图片来源：Mark McGee
宇宙，远比我们想象的要丰富的多，即使强大如哈勃太空望远镜，它能透露给我们的信息也是有限的。为了描绘一幅完整的宇宙图景，我们需要建造不同类型的望远镜，在不同的波段下进行观测。有时甚至需要把望远镜发射到太空中去，这是因为大气中的分子以及大气湍流等其他因素会干扰我们在地面上进行的观测。
我们需要把望远镜发射到太空中去还有一个重要的原因，那就是地球的大气层并不是在所有的波长下都是透明的。电磁辐射会被大气中的一些气体（比如水蒸气、二氧化碳、氧气）反射和吸收。有一些辐射可以穿过大气直达地面，比如可见光（因此我们肉眼可以在夜晚看到星星）和射电波（通过射电波段，科学家可以追踪在电子是如何被加速的，以及宇宙中氢气的分布）。而一些高能波长，比如伽玛射线（在中子星、超新星爆发等极端环境中会辐射大量的伽玛射线）、X-射线（来自炽热的物体，或落入黑洞的物质）就会被大气阻隔，因此需要在太空中进行观测，比如著名的费米伽玛射线太空望远镜、钱德拉X-射线太空望远镜等。
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○ 地球的大气层只允许部分的电磁波抵达地面，因此我们需要将一些望远镜发射到太空。| 图片来源：Mark McCaughrean
HST的主要观测波段为可见光和紫外波段，包括了一小部分的红外波段。事实上，科学家对红外波段（在上图中位于可见光和飞机之间的波段）的观测非常感兴趣，这也将是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的主要观测波段。作为HST的继任者，JWST同样历经磨难，起初预计在2018发射，但由于种种原因，这一计划不得不推迟到2021年。
“时间机器”——JWST
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JWST的主镜的直径为6.5米（相比之下，HST只有2.4米），由18个镜片组成，重量只有HST的一半（仅重6吨）。为了不受干扰的进行观测，JWST必须在非常低的温度（零下233度）下运行。科学家用一个巨大的遮阳板（由非常薄的金属膜制成，大小相当于一个网球场，长22米）来做到这一点，这能够阻挡阳光的照射。
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○ 科学家将JWST的镜片放到巨大的低温室中进行测试，以保证当镜片从室温进入到低温时不会变形。| 图片来源：NASA
科学家需要将许多大型的仪器组装，并放入到低温室中进行不断地测试，以确保它们在真空中非常低的温度下能正常工作。下面这张图片呈现出了JWST完全展开后的样貌。它将会是一个巨大的太空天文台。
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○ 完全展开的JWST。
JWST太大了，以至于我们无法直接将它发射，而必须将它折叠打包并装进一个容器中。接着再发射到距离地球150万公里的拉格朗日点上（L2），这个距离只有地球和太阳之间距离的1%（1.5亿公里）。这是一个相对稳定的点，意味着JWST将跟随地球一起，一年绕太阳旋转一周。（而不像HST那样，在地球上空约570公里的地方绕着地球转。）这使遮阳板的一侧会指向地球和太阳，而在另一侧，望远镜会被冷却。
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○ JWST将被发射到L2上。| 图片来源：Northrop Grumman
当JWST最终抵达L2时，它才会被完全展开，而这需要15天的时间（如下视频所示）：
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为什么需要JWST？
为什么科学家对红外波段的现象特别感兴趣？在下面这图中，我们可以看到不同温度的物体的光谱：
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○ 图片来源：Mark McCaughrean
一颗红矮星的温度大约是3000度左右（上图蓝色曲线区域），我们可以看到它会辐射出大量的可见光（在蓝色区域的彩虹条）。当物体的温度逐渐降低时（如图中的绿色、红色、深蓝色区域），我们几乎见不到可见光，物体释放出的光的波长都比较长。因此，如果我们想要研究低温的现象时，我们需要进入红外线。
在下面这张图，左右两边的景象似乎非常的不同，但其实它们都是船底座星云。
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图中左边我们明显可以看到一团厚重的气体和尘埃，通过可见光我们是无法观察到在内部的恒星会在哪里诞生。因此，我们需要借助红外线。有两个原因：一是因为该星云的温度较低，二是这个区域的大量尘埃阻挡了大部分光线。如果我们用近红外波段观测，就会看到有许多恒星在这个区域诞生（右边）。探索恒星和行星的形成和演化是JWST的重点研究目标之一。
我们需要JWST的另一个原因跟下面这张图片有关：
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○ 图片来源：NASA/ESA/Teplitz et al.
自1995的那次尝试之后，HST之后进行了多次的深空观测。以上这张图片是著名的超深空照片。图中显示的是大量的星系，大的是离我们较近的，小的是离我们较远的。
光线传播是需要时间的，因此我们看的越远，就代表我们看到的是越早期的宇宙。由于宇宙的膨胀，那些在宇宙早期诞生的恒星辐射出来的光，在到达地球的时候，光的波长会被拉长，我们说光红移了。
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○ 图片来源：Mark McCaughrean
当红移为3（z=3）的时候，我们回顾的是110-120亿年前的宇宙。而当红移为10（z=10）时，我们看到的是宇宙诞生后的几亿年，即第一批恒星和星系开始形成的时候。因此，我们需要建造一台“时间机器”——一个红外望远镜，去探索一百多亿年前的宇宙。
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○ JWST就好比是一台“时间机器”，能够看到宇宙诞生几亿年后发生的事情。| 图片来源：NASA
从寻找宇宙中的第一束光到研究星系的诞生和演化，从了解恒星和原行星系统的诞生再到观察行星系统和生命的起源，JWST将为我们理解宇宙带来全新的认识。
2021年，当JWST成功发射时，将开启天文学的一个全新时代。
▼ 2018年11月4日，马克·麦考林在腾讯WE大会上位我们分享了关于JWST的故事。
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