詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

沈臻懿

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡傳回的拍攝照片

當(dāng)我們仰望星空，面對浩瀚無際的茫茫宇宙時，總是滿懷著種種好奇和疑問——宇宙究竟是怎樣誕生、起源和演化的？在地球之外，有沒有外星人或者其他類地生命的存在？為了找到這些問題的答案，人們利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡開啟了一段神奇的太空之旅。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的前世今生

2023年1月23日，《自然》雜志發(fā)表了一篇名為《2023年最值得關(guān)注的七項新技術(shù)》的文章，其中一項新技術(shù)便是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目作為哈勃太空望遠鏡的后繼者，最初啟動于1996年。或許誰都未曾想到，這一當(dāng)前世界上最為復(fù)雜且功能最為強大的太空望遠鏡，歷經(jīng)預(yù)算的不斷追加和無數(shù)次的推遲發(fā)射——從最初5億美元的預(yù)算，到實際耗資近100億美元。在歷時20多年的漫長等待后，這臺代表了人類頂尖科技的太空望遠鏡，于法國當(dāng)?shù)貢r間2021年12月25日13時15分搭載阿麗亞娜5（Ariane5）重型運載火箭，在法屬圭亞那的庫魯航天中心發(fā)射升空，遠赴150萬公里之外的太空目的地——日地拉格朗日L2點。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的總質(zhì)量為6.2噸，約為哈勃太空望遠鏡的一半，但其口徑卻比哈勃太空望遠鏡的2.4米大很多，達到了6.5米。要知道，太空望遠鏡的口徑越大，分辨率也越高，看到的細節(jié)便更清晰。同時，它還能收集到更多的光子，并看到更弱、更暗的天體。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的光學(xué)部件包括了主鏡、次鏡、三級鏡以及微調(diào)鏡。這種“三反射鏡消像散結(jié)構(gòu)”可令來自宇宙的光經(jīng)過一系列光學(xué)部件形成三次反射，并最終抵達成像的傳感器中。為了減少來自太陽和地球的干擾，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在面對太陽處支起了一把展開后足有一個網(wǎng)球場大小的聚酰亞胺薄膜“遮陽傘”。相較于防曬化妝品數(shù)十單位的日光防護系數(shù)（Sun Protection Factor，SPF），聚酰亞胺薄膜“遮陽傘”的SPF高達100萬！

未來值得期待的尖端科技

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，曾一度令科學(xué)家們對其能否按預(yù)期展開工作倍感緊張。從其發(fā)射伊始，各項精密儀器就要經(jīng)受搭載火箭轟鳴升空的劇烈震蕩和搖晃。由于體型龐大，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡以折疊分段式的狀態(tài)放置在火箭整流罩內(nèi)發(fā)射。進入太空后，科學(xué)家需要以遙控方式將其展開，并令包括8臺展開電機、140個釋放機構(gòu)、70個鉸鏈組件、90根電纜、400個滑輪在內(nèi)的每一個精密結(jié)構(gòu)完美就位，這也成了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡得以正常工作的“最難一環(huán)”！在過去的一年多時間里，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡還遭遇了數(shù)次微隕石撞擊、中紅外儀器故障以及軟件問題等多次險情。

展開后足有一個網(wǎng)球場大小的聚酰亞胺薄膜“遮陽傘”

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的主鏡

所幸，經(jīng)受住了各類考驗的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，自2022年7月發(fā)回第一批正式照片起，就讓科學(xué)家們倍感驚喜，并對其未來抱有高度期待。在這些照片中，科學(xué)家們甚至還發(fā)現(xiàn)了一些距離我們異常遙遠，存在于宇宙誕生之初的星系。那么，通過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡為什么能看到過去的古老天體呢？這就不得不提到其借助的紅外探測優(yōu)勢。相較于可見光和紫外光，紅外光波長較長的特點能讓其繞過某些塵埃而看到隱匿在其背后的天體。隨著宇宙的不斷膨脹，那些古老天體發(fā)出的光向著光譜的紅端移動，并形成所謂的“紅移效應(yīng)”。唯有利用紅外探測設(shè)備，才能捕捉并觀察到相關(guān)現(xiàn)象。

這就意味著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡具有哈勃太空望遠鏡或者是地球上其他更大的望遠鏡都無法比擬的高清優(yōu)勢。在過去的數(shù)十年間，人們已經(jīng)通過哈勃太空望遠鏡知悉了有關(guān)宇宙年齡、星系中心的黑洞等秘密。如果運行狀況良好，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在日地拉格朗日L2點運行的工作壽命應(yīng)為10年以上，甚至還有可能更長。可以肯定的是，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡不僅是2023年最值得關(guān)注的新技術(shù)之一，其在未來還可能進一步揭開神秘宇宙的“面紗”！

“宇宙時光機”般的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的觀測任務(wù)目標(biāo)中，包括了探尋“宇宙大爆炸”后出現(xiàn)的第一批星系、超新星和黑洞等天體，以觀測星系隨時間推移而演化的過程等。隨著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的成功啟用，其就如同一臺“宇宙時光機”，可幫助人們穿越到70億至130億年前的宇宙，窺探幾乎處于“大爆炸”同期的宇宙形態(tài)！

從詹姆斯·韋伯太空望遠鏡傳回的拍攝照片中，科學(xué)家們觀測到了138億年前的星系，這如同穿越了時空隧道來到宇宙剛初生的時期。這種時光穿梭的體驗，來自光的傳播。這就好比我們站在地球上，抬頭看到的太陽實則是8分鐘之前的太陽。這是因為光需要一定時間，才能從一個地方傳播至另一地方。太陽光到達地球需要足足8分鐘。對于整個宇宙來說，由于其距離異常之大，我們看到的天體，實則是經(jīng)過光的漫長傳播后所展現(xiàn)出來的它們過去的樣子。

研究團隊經(jīng)過細致分析詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)送的數(shù)據(jù)信息后，發(fā)現(xiàn)了兩個異常紅且異常明亮的星系。經(jīng)過科學(xué)家分析，這兩個星系分別存在于“宇宙大爆炸”之后的3.5億年和4.5億年左右。前者甚至被認為是人類目前已知的最為古老且遙遠的星系，并打破了在2016年由哈勃太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的GN-z11星系所保持的最古老紀(jì)錄（存在于“宇宙大爆炸”之后約4億年）。這兩個星系不僅尤為古老，且甚為龐大。根據(jù)測算結(jié)果，這兩個星系相較于銀河系而言，堪稱巨無霸——其質(zhì)量達到了銀河系的數(shù)百倍，且擁有千億計的如同太陽一般大小的恒星。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡除具有“宇宙時光機”的效用外，甚至還有著作為探尋地外行星生命跡象的“生命探測器”潛質(zhì)。氧元素是一種重要的生命跡象信號，氧氣的存在是證實地外行星是否存在生命可能的關(guān)鍵。以地球為例，其大氣層中的氧含量達到了21%左右。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可通過對太陽系外類地行星上的大氣層的觀測，來篩選是否存在與地球大氣層相近的天體，從而探索太陽系外的生命跡象。

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com