本文來自微信公眾號：深究科學(xué)（ID：deepscience），作者：張?zhí)烊?，原文?biāo)題：《耗資100億美元的韋伯望遠(yuǎn)鏡本周末發(fā)射升空，為何它被稱為“鴿子王”》

根據(jù)NASA最新消息，將于2021年12月25日發(fā)射。實(shí)際上，NASA 14年前就計(jì)劃發(fā)射韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。為何發(fā)射時間一拖再拖？

走得最遠(yuǎn)的航天器是旅行者1號，離家44載，剛到太陽系邊界。用光速表達(dá)這個距離，就是光走20小時而已。

而人類的“眼光”就看得遠(yuǎn)多了。即使是肉眼，也能看到很遠(yuǎn)的星星，望遠(yuǎn)鏡更不在話下。遠(yuǎn)到多遠(yuǎn)呢？結(jié)果令你吃驚：130億光年，是旅行者1號距離地球的4萬億倍！

伽利略用望遠(yuǎn)鏡研究太陽系的行星及其衛(wèi)星；赫歇爾家族用望遠(yuǎn)鏡探測銀河系并記錄下幾萬顆星星；哈勃本人用望遠(yuǎn)鏡觀測到銀河之外的4萬多個“河外星系”。望遠(yuǎn)鏡帶給人類一次一次的驚喜，將我們的目光延伸到能“和宇宙共處，與光波同行”。

而本周末，美國NASA將要發(fā)射韋伯望遠(yuǎn)鏡，建造韋伯望遠(yuǎn)鏡不僅遠(yuǎn)超當(dāng)年10億美元的預(yù)算，實(shí)際花費(fèi)高達(dá)100多億美元。而且由于各種原因，發(fā)射它的時間一拖再拖，早在14年前NASA就準(zhǔn)備將其發(fā)射升空，直至最近它才定于本周末發(fā)射，也許美國人希望了結(jié)此心病，過上一個美好的圣誕節(jié)。

現(xiàn)代天文觀測將望遠(yuǎn)鏡從地面搬到太空；頻率范圍從可見光擴(kuò)展到了伽瑪射線、X射線、紫外線、紅外線、無線電波等等。觀測到最遙遠(yuǎn)（130億光年）古老星系、探測到恒星和星系的早期形成過程的，是美國以哈勃命名的望遠(yuǎn)鏡。它的廣角行星相機(jī)可拍攝上百個恒星照片，清晰度是地面天文望遠(yuǎn)鏡的10倍，1.6萬公里外的一只螢火蟲都“一目了然難逃法眼”。

哈勃望遠(yuǎn)鏡升空二十余年，影像珍貴成果頗豐，如哈勃深空、哈勃超深空、哈勃極深空。哈勃深空（HDF）便是一張由哈勃于1995年所拍攝的夜空影像。與“廣角”的目的不同，深空拍攝位置在大熊座中一個很小的區(qū)域（僅144角秒）。影像由342次曝光疊加而成，拍攝時間連續(xù)10天。所包含的區(qū)域幾乎沒有銀河系內(nèi)的恒星，可見的3000多個物體全部都是極遙遠(yuǎn)的星系。哈勃超深空包括10,000個星系，顯示的是超過130億年前的“過去”。

哈勃深空

哈勃深空深入到哪里去？遙望太空，卻能穿越時間的隧道，回望宇宙的過去。因?yàn)楣鈧鞑バ枰獣r間，所以我們看到的是那兒的過去。白天看到的是8分鐘之前的太陽，晚上看見的是1.28秒之前的月亮。8分或1.28秒是小事一樁，但對遙遠(yuǎn)的星球而言，結(jié)論就非同小可且頗為有趣了。遙望織女星，其實(shí)看到的是她25年前的模樣，銀河系外最近的星系是仙女座，是250萬光年前的樣子。

圖最左邊表示宇宙的起點(diǎn)，大爆炸及早期宇宙演化，之后，產(chǎn)生了第一代恒星，第一代星系，現(xiàn)代星系形成，再后來，由星系群、星系團(tuán)、超星系團(tuán)等大尺度結(jié)構(gòu)形成……圖中可見，哈勃超深空深入到了大爆炸后6億年左右。

大爆炸模型

哈勃極深空還不夠。革命尚未成功，31歲的哈勃望遠(yuǎn)鏡卻已顯老舊，主要是需更新?lián)Q代電子儀器。韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）便是哈勃的接班人。它的主要科學(xué)目標(biāo)之一是探測早期形成的第一批恒星和星系，為宇宙拍個4-6億歲時的嬰兒照。韋伯與哈勃大不相同：一是工作頻率，哈勃以可見光為主，韋伯集中于紅外線波段；二是在太空的位置。下面分別說明。

韋伯JWST為何要在紅外波段工作？因?yàn)榈谝淮阈呛托窍党跎甏男畔鞑サ浆F(xiàn)代，可見光或紫外線已被紅移到了紅外區(qū)域。紅外功能不夠的哈勃無法捕捉到早期宇宙中的神秘天體（紅移值高達(dá)9.6），需要依靠“引力透鏡”效應(yīng)來發(fā)現(xiàn)它們。

而紅外線的波長更長，使得需要更大的鏡面聚光來達(dá)到更高的分辨率。韋伯望遠(yuǎn)鏡主鏡直徑6.5米，幾乎是哈勃直徑的3倍。主鏡由鈹制成，鏡片上涂上一層厚度僅為頭發(fā)千分之一的金，主鏡包括18塊6角形鏡片，在發(fā)射時需要打包，折疊起來，升空安置好之后再打開。

哈勃離地高度不過600公里，韋伯望遠(yuǎn)鏡的位置卻距地球約150萬公里，比它的前任離地球遠(yuǎn)得多。韋伯望遠(yuǎn)鏡比較特別的是它的軌道。它不是像哈勃那樣繞著地球轉(zhuǎn)圈，而是位于太陽-地球系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)L2上。

何謂拉格朗日點(diǎn)？在兩個大質(zhì)量和一個微小質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)的簡化三體問題中，有5個點(diǎn)可以讓小質(zhì)量天體穩(wěn)定運(yùn)行，這5個點(diǎn)被稱作拉格朗日點(diǎn)。兩個天體環(huán)繞運(yùn)行，空間中有五個位置（L1、L2、L3、L4、L5）可以放入第三個物體（質(zhì)量忽略不計(jì)），使其與另兩個天體的相對位置保持不變。

韋伯望遠(yuǎn)鏡升空后的景象是這樣的：哈勃仍然在繞著地球轉(zhuǎn)小圈，仍然不停地發(fā)回大量照片；而在地球背對太陽的一方，韋伯背朝著地球，孤零零地飄蕩在L2點(diǎn)上，在那里，它比哈勃更遠(yuǎn)離地球與太陽的干擾，能夠更方便地窺探深空，朝宇宙的起點(diǎn)望去，一直望到宇宙的邊緣，天之盡頭。

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