哈勃继任者JWST将如何观测宇宙

原创：牧夫天文

编译：王延昕

校对：DAIKIN

排版：况宇庭

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

跳票王会按计划发射吗？

詹姆斯·韦伯太空望远镜的艺术效果图

作者：Shaoni Bhattacharya

就在上周，哈勃太空望远镜刚刚庆祝了它的30岁生日。而不出一年，一个空间观测的新时代即将来到！不过前提是这位继任者，令人期待已久的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），能够按最新计划在明年三月从法属圭亚那发射升空。

瓶中船

想象一下吧，届时一个网球场大小的遮光罩加上6.5米直径的主镜将被平整地打包塞入阿丽亚娜5型火箭顶端的载荷舱，就好像珍藏在《加勒比海盗》瓶子里那即将魔法展开的黑珍珠号一般。

火箭内折叠状态的JWST

图源：NASA

发射升空半小时后，JWST将与火箭分离并在一天内展开部署，部署过程将会非常科幻。

然后在接下来的30天内，JWST将远航超过150万公里，抵达一个重力稳定的前哨站——L2拉格朗日点。

小知识

什么是拉格朗日点

拉格朗日点是空间中绕行的两个天体运行平面上的五个位置。如果在这些位置上放入质量远小于前两个天体的第三个天体，那么它在前两个天体的引力作用下可以天然地与它们保持平衡，三者的相对位置保持不变。拉格朗日点的命名是为了纪念意大利-法国数学家约瑟夫-路易斯·拉格朗日。

地-日系统的L2拉格朗日点是进行天文观测研究的理想位置，因为航天器可以轻松与地球保持通信，又能将太阳、地球和月球保持在航天器身后，通过适当的遮挡可以获取清晰的深空视野。

L2点处于太阳到地球连线的延长线上，JWST会保持与地球同步的轨道绕太阳运行。在这个位置上JWST将获得毫无遮挡的完美视野，而哈勃则每90分钟就会进入地球的影子内。但这也同样意味着，在这个距离上JWST将无法像哈勃那样获得任何“上门保修服务”。

哈勃离地球仅547公里，而JWST将位于150万公里之外。

图源：JWST Youtube频道

凝视过去

按计划JWST会在发射六个月后开始其科学观测。它将在接下来的5.5到10年内停留在L2点，科学家希望它能使我们瞥见从未见过的早期宇宙。从最初的尘埃云到太阳系的形成，这台最大最强的望远镜应刷新我们对宇宙历史每个阶段的认知。

作为JWST的合作方之一，NASA强调JWST是哈勃的继任者而不只是简单替代。JWST将帮助我们更好地了解宇宙的尺度和几何形状，同时也能进一步了解暗物质、暗能量、甚至宇宙的最终命运。JWST的另两个合作方分别是欧洲空间局（ESA）和加拿大宇航局。

哈勃与JWST的观测波长区别

图源：JWST Youtube频道

30年前哈勃发射升空，使它成为人类史上第一个放置在太空的光学望远镜，为我们提供了前所未有的宇宙视野，但是它仅着眼于光学观测、紫外线和近红外波长观测。

而JWST将在可见红光和中红外光谱之间进一步窥视早期的宇宙。最古老的发光天体所发出的光在一个不断扩展的宇宙中传播太久远，以至于到达我们时，其波长已被拉伸或称为“红移”。这意味着我们仅能通过光谱中的红外部分去观测最早期的宇宙。

左侧是哈勃的2.4米主镜，右侧是JWST的6.5米主镜。

图源：JWST Youtube频道

JWST的主镜直径达6.5米，这使其集光面积是哈勃的六倍以上，后者的主镜直径只有2.4米，而JWST的视野范围也是哈勃望远镜的近红外相机和分光仪（NICMOS）的15倍。JWST的主要目的是探索宇宙大爆炸后1-2.5亿年间的黑暗时代末期，当时的宇宙终于冷却到可以让粒子们相结合，开始闪烁来自首批恒星宝宝们的
“第一道光” 。

同时，像哈勃望远镜一样，它也是一个通用的天文台，用于细致研究星系诞生与形成、黑洞的影响以及生命的起源。高分辨率成像意味着JWST可以更好地洞察银河系和我们邻近的星系，同时能让科学家了解到行星系统是如何形成的。欧空局希望它能“继承哈勃望远镜的工作，并进一步深入探索”。

目前科学家们已经为JWST规划了观测项目，其中一项任务目标是距地球39光年的TRAPPIST-1行星系统。JWST将观察研究它的7颗类地系外行星的宜居性。这个行星系统由斯皮策太空望远镜（Spitzer
Space Telescope/SST）发现，而该望远镜已于2020年1月退役。

JWST将配备4种科学仪器

哈勃与JWST的仪器设备和视场对比

图源：JWST Youtube频道

近红外光谱仪(NIRSpec)，可同时观察100个天体，能搜索在大爆炸之后形成的第一个星系。NIRSpec是由欧洲空间局在NASA戈达德太空飞行中心帮助下提供。

近红外相机(NIRCam)，由亚利桑那大学提供。该红外相机将检测附近星系中的恒星和银河系中的恒星光线。它还将搜索来自宇宙生命早期形成的恒星和星系的光。NIRCam将配备日冕仪，可以遮挡明亮物体的光，使那些恒星附近的较暗物体（例如行星）可见。

与低温冷却器结合的中红外照相机及光谱仪(MIRI)，可将温度恒定在零下266˚C。MIRI将生成遥远天体的惊人照片，作为仪器一部分的光谱仪将使科学家能够收集有关宇宙中遥远物体的更多物理细节。MIRI将探测遥远的星系、昏暗的彗星、恒星的形成以及柯伊伯带中的天体。MIRI由欧洲财团与欧洲空间局和NASA的喷气推进实验室共同建造。

精细导星传感器 / 近红外成像仪和无缝光谱仪(FGS / NIRISS)，包括系外行星光谱模式。这台加拿大宇航局制造的仪器更像是将两台仪器合二为一。FGS组件负责在其科学研究期间使JWST始终指向正确的方向，而NIRISS将探究宇宙深处以寻找宇宙中第一缕光线的特征，并寻找和呈现外星行星样貌。

此外望远镜还将配备网球场大小的遮阳罩，这个巨大的罩子不单能遮住太阳光，还能阻断来自太阳、地球甚至望远镜本体向阳面的电磁干扰。

还会继续跳票吗？

JWST的设计和建造已经花去四分之一个世纪，从最初1997年起设想2007年发射到如今计划2021年发射，JWST真的是每年都在跳票，因此获得天文界跳票王的名声。而总预算已经从最初的5亿美金水涨船高到如今的近100亿美金，翻了近20倍！

目前制定的最新发射时间是在2021年3月，但今年年初美国政府问责局（GAO）发布的报告中称JWST按计划发射的可能性仅有12%！虽然项目组并不打算仅根据这一分析来更改发射准备日期，但在近期可能再次评估发射准备的可行性。目前COVID-19正肆虐美国本土，JWST发射能否不受影响还是继续跳票？让我们拭目以待！

关于詹姆斯·韦伯

詹姆斯·埃德温·韦伯 (1906 - 1992)

JWST以前任NASA局长詹姆斯·埃德温·韦伯（James Edwin Webb）的名字命名。韦伯在1961年到1968年间掌管NASA，但在将第一名太空人成功送上月球前几个月就离开了。

韦伯担任局长期间，将NASA从一个松散的研究中心发展成为一个高效协作的组织。韦伯与阿波罗登月计划有最密切的联系，曾积极应对阿波罗1号大火危机，将NASA带出失败的阴影。他也被认为是太空科学领域的领导者，即使在美国政治动荡时期，韦伯也设定了NASA的科学目标。他坚持认为，发射大型太空望远镜应该是航天局的主要目标。

『天文时刻』 牧夫出品

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Image Credit & Copyright: Joonhwa Lee