1990年4月，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）承載著人們對(duì)探索宇宙的渴望，終于成功地飛向太空。但正如所有偉大的事物一樣，HST在成就自己的一番偉業(yè)之前并非一帆風(fēng)順。

○ 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。| 圖片來(lái)源：ESA, NASA, Alex Gerst

事實(shí)上，它在升空后就遭遇了一場(chǎng)重大危機(jī)：傳回來(lái)的圖片出現(xiàn)了嚴(yán)重問(wèn)題，畫(huà)質(zhì)全是模糊的！這個(gè)嚴(yán)重的光學(xué)缺陷，被稱為球面像差。在那個(gè)期間，他們成了各大媒體編寫(xiě)段子的對(duì)象。但很快，NASA就派宇航員前往太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行維修，成功地挽回了他們的聲譽(yù)。

○ 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射后傳回來(lái)的畫(huà)質(zhì)模糊（左），右邊為修復(fù)后的。

到了1995年，HST團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人Robert Williams作了一次在當(dāng)時(shí)看來(lái)非常大膽的嘗試。他決定，將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)一片沒(méi)有任何物體的區(qū)域。如果你舉起一枚大頭針，那么Williams想要觀測(cè)的天空區(qū)域就只有針頭般的大小。誰(shuí)也沒(méi)想到，就在這片補(bǔ)丁般大小的背后，HST看到的卻是令人震驚的一幕：

○ 哈勃深空。| 圖片來(lái)源：NASA/ESA

1925年，埃德溫·哈勃的觀測(cè)告訴我們，銀河系并非宇宙中的唯一星系。而哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的這張圖片告訴我們，宇宙中的星系比我們想象的更多。自那之后，我們才開(kāi)始慢慢地更好的理解星系的形成和演化，以及宇宙的歷史。而這僅僅只是HST在過(guò)去的28年中做出的眾多貢獻(xiàn)之一。

今天我們知道，在銀河系之中大約有2000億顆恒星，我們的太陽(yáng)不過(guò)是眾星中一員，并沒(méi)有任何特別之處。而銀河系本身，也只是眾多不同形態(tài)的星系中的一個(gè)。

○ 銀河以及大、小麥哲倫星云。| 圖片來(lái)源：Mark McGee

宇宙，遠(yuǎn)比我們想象的要豐富的多，即使強(qiáng)大如哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，它能透露給我們的信息也是有限的。為了描繪一幅完整的宇宙圖景，我們需要建造不同類型的望遠(yuǎn)鏡，在不同的波段下進(jìn)行觀測(cè)。有時(shí)甚至需要把望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中去，這是因?yàn)榇髿庵械姆肿右约按髿馔牧鞯绕渌蛩貢?huì)干擾我們?cè)诘孛嫔线M(jìn)行的觀測(cè)。

我們需要把望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空中去還有一個(gè)重要的原因，那就是地球的大氣層并不是在所有的波長(zhǎng)下都是透明的。電磁輻射會(huì)被大氣中的一些氣體（比如水蒸氣、二氧化碳、氧氣）反射和吸收。有一些輻射可以穿過(guò)大氣直達(dá)地面，比如可見(jiàn)光（因此我們?nèi)庋劭梢栽谝雇砜吹叫切牵?/span>和射電波（通過(guò)射電波段，科學(xué)家可以追蹤在電子是如何被加速的，以及宇宙中氫氣的分布）。而一些高能波長(zhǎng)，比如伽瑪射線（在中子星、超新星爆發(fā)等極端環(huán)境中會(huì)輻射大量的伽瑪射線）、X-射線（來(lái)自熾熱的物體，或落入黑洞的物質(zhì)）就會(huì)被大氣阻隔，因此需要在太空中進(jìn)行觀測(cè)，比如著名的費(fèi)米伽瑪射線太空望遠(yuǎn)鏡、錢德拉X-射線太空望遠(yuǎn)鏡等。

○ 地球的大氣層只允許部分的電磁波抵達(dá)地面，因此我們需要將一些望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空。| 圖片來(lái)源：Mark McCaughrean

HST的主要觀測(cè)波段為可見(jiàn)光和紫外波段，包括了一小部分的紅外波段。事實(shí)上，科學(xué)家對(duì)紅外波段（在上圖中位于可見(jiàn)光和飛機(jī)之間的波段）的觀測(cè)非常感興趣，這也將是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）的主要觀測(cè)波段。作為HST的繼任者，JWST同樣歷經(jīng)磨難，起初預(yù)計(jì)在2018發(fā)射，但由于種種原因，這一計(jì)劃不得不推遲到2021年。

○ 左：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）；右：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）。| 圖片來(lái)源：NASA/ESA/CSA

JWST的主鏡的直徑為6.5米（相比之下，HST只有2.4米），由18個(gè)鏡片組成，重量只有HST的一半（僅重6噸）。為了不受干擾的進(jìn)行觀測(cè)，JWST必須在非常低的溫度（零下233度）下運(yùn)行。科學(xué)家用一個(gè)巨大的遮陽(yáng)板（由非常薄的金屬膜制成，大小相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)，長(zhǎng)22米）來(lái)做到這一點(diǎn)，這能夠阻擋陽(yáng)光的照射。

○ 科學(xué)家將JWST的鏡片放到巨大的低溫室中進(jìn)行測(cè)試，以保證當(dāng)鏡片從室溫進(jìn)入到低溫時(shí)不會(huì)變形。| 圖片來(lái)源：NASA

科學(xué)家需要將許多大型的儀器組裝，并放入到低溫室中進(jìn)行不斷地測(cè)試，以確保它們?cè)谡婵罩蟹浅５偷臏囟认履苷９ぷ鳌Ｏ旅孢@張圖片呈現(xiàn)出了JWST完全展開(kāi)后的樣貌。它將會(huì)是一個(gè)巨大的太空天文臺(tái)。

○ 完全展開(kāi)的JWST。

JWST太大了，以至于我們無(wú)法直接將它發(fā)射，而必須將它折疊打包并裝進(jìn)一個(gè)容器中。接著再發(fā)射到距離地球150萬(wàn)公里的拉格朗日點(diǎn)上（L2），這個(gè)距離只有地球和太陽(yáng)之間距離的1%（1.5億公里）。這是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)，意味著JWST將跟隨地球一起，一年繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)一周。（而不像HST那樣，在地球上空約570公里的地方繞著地球轉(zhuǎn)。）這使遮陽(yáng)板的一側(cè)會(huì)指向地球和太陽(yáng)，而在另一側(cè)，望遠(yuǎn)鏡會(huì)被冷卻。

○ JWST將被發(fā)射到L2上。| 圖片來(lái)源：Northrop Grumman

當(dāng)JWST最終抵達(dá)L2時(shí)，它才會(huì)被完全展開(kāi)，而這需要15天的時(shí)間（如下視頻所示）：

為什么科學(xué)家對(duì)紅外波段的現(xiàn)象特別感興趣？在下面這圖中，我們可以看到不同溫度的物體的光譜：

○ 圖片來(lái)源：Mark McCaughrean

一顆紅矮星的溫度大約是3000度左右（上圖藍(lán)色曲線區(qū)域），我們可以看到它會(huì)輻射出大量的可見(jiàn)光（在藍(lán)色區(qū)域的彩虹條）。當(dāng)物體的溫度逐漸降低時(shí)（如圖中的綠色、紅色、深藍(lán)色區(qū)域），我們幾乎見(jiàn)不到可見(jiàn)光，物體釋放出的光的波長(zhǎng)都比較長(zhǎng)。因此，如果我們想要研究低溫的現(xiàn)象時(shí)，我們需要進(jìn)入紅外線。

在下面這張圖，左右兩邊的景象似乎非常的不同，但其實(shí)它們都是船底座星云。

○ 可見(jiàn)光（左）下的船底座星云和紅外線（右）下的。| 圖片來(lái)源：NASA/ESA/M. Livio & Hubble 20th Anniversary Team (STScI)NASA/ESA/M. Livio & Hubble 20th Anniversary Team (STScI)

圖中左邊我們明顯可以看到一團(tuán)厚重的氣體和塵埃，通過(guò)可見(jiàn)光我們是無(wú)法觀察到在內(nèi)部的恒星會(huì)在哪里誕生。因此，我們需要借助紅外線。有兩個(gè)原因：一是因?yàn)樵撔窃频臏囟容^低，二是這個(gè)區(qū)域的大量塵埃阻擋了大部分光線。如果我們用近紅外波段觀測(cè)，就會(huì)看到有許多恒星在這個(gè)區(qū)域誕生（右邊）。探索恒星和行星的形成和演化是JWST的重點(diǎn)研究目標(biāo)之一。

我們需要JWST的另一個(gè)原因跟下面這張圖片有關(guān)：

○ 圖片來(lái)源：NASA/ESA/Teplitz et al.

自1995的那次嘗試之后，HST之后進(jìn)行了多次的深空觀測(cè)。以上這張圖片是著名的超深空照片。圖中顯示的是大量的星系，大的是離我們較近的，小的是離我們較遠(yuǎn)的。

光線傳播是需要時(shí)間的，因此我們看的越遠(yuǎn)，就代表我們看到的是越早期的宇宙。由于宇宙的膨脹，那些在宇宙早期誕生的恒星輻射出來(lái)的光，在到達(dá)地球的時(shí)候，光的波長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，我們說(shuō)光紅移了。

○ 圖片來(lái)源：Mark McCaughrean

當(dāng)紅移為3（z=3）的時(shí)候，我們回顧的是110-120億年前的宇宙。而當(dāng)紅移為10（z=10）時(shí)，我們看到的是宇宙誕生后的幾億年，即第一批恒星和星系開(kāi)始形成的時(shí)候。因此，我們需要建造一臺(tái)“時(shí)間機(jī)器”——一個(gè)紅外望遠(yuǎn)鏡，去探索一百多億年前的宇宙。

○ JWST就好比是一臺(tái)“時(shí)間機(jī)器”，能夠看到宇宙誕生幾億年后發(fā)生的事情。| 圖片來(lái)源：NASA

從尋找宇宙中的第一束光到研究星系的誕生和演化，從了解恒星和原行星系統(tǒng)的誕生再到觀察行星系統(tǒng)和生命的起源，JWST將為我們理解宇宙帶來(lái)全新的認(rèn)識(shí)。

2021年，當(dāng)JWST成功發(fā)射時(shí)，將開(kāi)啟天文學(xué)的一個(gè)全新時(shí)代。

▼ 2018年11月4日，馬克·麥考林在騰訊WE大會(huì)上位我們分享了關(guān)于JWST的故事。