北京时间2021年12月25日20：20，万众期待的詹姆斯·韦布空间望远镜在法属圭亚那，由阿丽亚娜5号运载火箭发射升空。

　　上回说到韦布望远镜的预算花费和形态结构，今天我们接着来聊一聊这个最强太空望远镜的独家本领和设计原理。

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　　韦布望远镜的独家本领

　　韦布太空望远镜一直以来都被看做是哈勃的继任者，确实他们都是旗舰级的太空望远镜，但其实两者有相当大的不同。除了主镜有效直径的大小区别（哈勃主镜的有效直径为2.4米，韦布为6.5米），两者的另一个重大区别在于可观测的波长。哈勃主要观测的是可见光，而韦布望远镜主要观测的是波长较长的红外光。之所以如此设计主要有两个原因：一是因为韦布的科学目标之一是观测遥远的早期宇宙，另一个重要的原因是红外光对于宇宙中尘埃的穿透能力比较强。也只有通过红外光的观测，我们才能穿越宇宙的层层尘埃，捕捉到更古老遥远的星系。

　　由于宇宙的膨胀，遥远的天体离我们远去的速度也很快，导致他们发出的光线红移现象非常明显：宇宙早期遥远星系原本发出的是紫外光，到了今天，波长已经被拉长变成了红外光。因此拥有红外的观测能力对于观测早期宇宙来说非常重要，而目前的望远镜在这方面能力不足：要么缺乏红外观测能力，要么主镜不够大，无法探测暗弱天体。韦布望远镜将会填补这方面的空白。

　　利用红外光穿透尘埃能力较强的特点，我们通过韦布望远镜可以方便地研究恒星演化的机制。这是因为在一些恒星形成的区域，往往同时存在着大量的尘埃，可见光无法透过尘埃看到包裹在内部的恒星，而韦布望远镜可以通过探测恒星发出的红外光，透过尘埃获得这些恒星的信息。我们来看看下面这张对比图：左侧是哈勃拍摄的可见光的图像，可以看到整片区域被尘埃覆盖，但是却看不到照亮尘埃的恒星，而在右侧的图像是同一片区域红外光的图像，被尘埃包裹的恒星清晰可见。

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

　　此外，系外行星也是韦布望远镜的主要研究方向之一。在这方面，韦布望远镜将专注于研究已知系外行星的大气成分，而不是发现新的系外行星。为了完成这些科学目标，韦布装备的主要设备有近红外相机NIRCam，中红外成像仪MIRI，近红外光谱仪NIRSpec以及近红外无缝光谱仪NIRISS。这些仪器都被放置在主镜后方的一体化科学仪器舱内（见下图），每台设备之间观测波段和数据采集方式也不尽相同，这些科学设备之间也都有冗余设计，观测方式相近的几个仪器可以互为备份。

　　除了为合作方（主要是美国宇航局、欧洲空间局和加拿大宇航局）的科学家保留观测时间，韦布望远镜的大部分观测时间是对全世界天文学家开放的。自从2017年开放第一轮观测申请以来，观测计划的申请竞争激烈，最终285份观测申请被接受，这些观测计划将占用6000小时的观测时间。再加上合作方的观测计划，韦布望远镜需要在第一年的时间内，几乎一刻不停地观测才能完成任务，足以见得韦布的能力令整个天文学界都十分期待。

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　　韦布为啥长这样？

　　韦布望远镜的外观看上去和哈勃望远镜非常不同。韦布望远镜没有将整个望远镜包裹起来的镜筒，而是采用了开放式的设计。此外，在望远镜下方还有好几层面积很大的薄膜，让整个韦布望远镜看起来就仿佛一艘漂浮在太空中的帆船。那么，它为什么要设计成这个样子呢？

　　这些设计都是为满足科学目标服务的。上一部分我们提到了通过红外波段观测的好处，由于韦布望远镜观测的主要是红外光，这让韦布的设计与主要观测可见光的哈勃大不相同。为了达到红外的观测条件，韦布望远镜必须在零下200多摄氏度的低温下工作。这是因为，凡是有温度的物体都会以电磁波（光）的形式发出热辐射。如果让望远镜在室温左右的温度下工作，望远镜本身发出的热辐射正好会处在希望观测的那个波长，这会严重干扰到正常的观测。就好像你在一个黑暗的环境下欣赏夜景，突然有人在旁边打了一盏灯，原本美丽的夜景就全被灯光盖住而看不见了。

　　大家看到的主镜下方风筝形状的五层遮阳薄膜，正是为了给望远镜创造一个这样的低温环境而设计的，它们的长宽大约和一块网球场差不多。如果没有这些薄膜，那么在阳光的辐射之下，望远镜的温度将会非常高，无法满足其观测条件。而之所以要设计成五层是因为如果只有一层，那么那一层遮阳板吸收的热量会通过热传导的方式传到望远镜上， 而多层的设计可以将每一层之间的真空当做隔热层，阻断了热传导，阳光辐射的热量每经过一层，被阻挡的就更多。这五层薄膜和镜片一样非常轻量化，直面太阳的那一层厚度为0.05毫米，而剩下的四层每层则仅有0.025毫米。

　　| 图源：NASA

　　下图很直观的展示了韦布望远镜在观测时所处的温度。遮阳薄膜朝太阳一侧（供电、发动机、计算机和通信设备）的温度将会达到约85摄氏度，而背对太阳的一侧（科学仪器、主镜）通过向太空辐射热量，将会降温到零下233摄氏度（部分设备还需要通过液氦冷冻机来进一步降温），两者的温差达到了惊人的300摄氏度。

　　结语

　　无论从何种角度讲，韦布望远镜确实是一台划时代的太空望远镜。让我们期待一下，“命运多舛”的它在之后的旅程当中一路顺利，为地球上的人类带来划时代的科学发现。和哈勃望远镜发射之前一样，科学家们已经在思考下一代的太空望远镜了，其中一个有力的竞争者就是LUVOIR，这是一台尺寸更大（可能16米级），观测范围从紫外到红外的望远镜。不过，希望它不要成为新一代的“鸽王”了。

　　最后感谢圣玛丽大学的Marcin Sawicki教授对本文写作的帮助。

　　参考资料：JWST官网、STScI网站、维基百科

　　作者：Lejay（加拿大圣玛丽大学在读天体物理学博士）

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