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2022年7月12日，NASA召開新聞發布會，以圖片的形式展示了韋布空間望遠鏡首批科學數據，并由專業研究人員解讀這些數據的科學潛力和價值。這些圖片震撼了世界，宇宙從未如此清晰，本文就帶你一起走進韋布的世界。
韋布空間望遠鏡的藝術想象圖。左邊與右邊的背景分別代表深場觀測與系外行星觀測。圖源：ESA
詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST: James Webb Space Telescope，下文簡稱“韋布”）是美國航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）和加拿大宇航局（CSA）聯合研發的紅外空間望遠鏡，以NASA第二任局長詹姆斯·韋布的名字命名。北京時間2021年12月25日下午8:20分，在法屬圭亞那的ESA庫魯基地，由阿麗亞娜5號火箭運載發射升空。送入太空后，韋布將要航行約一個月，進入預定軌道，在距離地球約150萬千米的日地系統拉格朗日L2點處的暈輪軌道運行。L2軌道重力環境穩定，太陽、地球和月亮在同一側，遠離并遮擋它們的熱輻射，使望遠鏡能夠冷卻至絕對溫度50K以下，降低自身熱噪聲，有效提升望遠鏡在中紅外波段的探測靈敏度。另一方面，L2軌道與地球一起繞太陽公轉，與地球距離不變，能夠方便地傳輸指令和數據。
左圖是韋布在軌道運行的想象圖；右圖是望遠鏡的模型圖。金色部分是18塊鍍金的子鏡片拼接成的主鏡，前方是由三桿支撐的次鏡，主鏡中心是通光罩，后方有第三鏡和科學儀器模塊，下方是五層鍍鋁的薄膜遮陽罩，太陽能電池板和通訊模塊在遮陽罩下方，朝向地球和太陽一側。圖片來源：NASA。
01
望遠鏡和科學儀器的特色
韋布的發射重量為6.5噸，約是哈勃(11噸)的一半。韋布光學系統采用的是主鏡、次鏡和第三鏡組成的柯爾施光學系統，能夠實現寬視場的同時消除色差、彗差和像散。主反射鏡由18塊子鏡片拼接成，直徑達到6.5米，集光面積為哈勃的5倍以上。子鏡片由金屬鈹制成，采用蜂巢結構以減輕重量，表面鍍金，每塊子鏡后面有7個觸動器來調節位置，精度可達10納米。次鏡直徑0.74米，后面安裝6個觸動器，整個望遠鏡有132個觸動器。觸動器由微型步進馬達驅動，能夠以58納米步長粗調，或7納米步長微調。望遠鏡的大型遮陽罩由五層涂有硅和鋁的聚酰亞胺薄膜制成，可有效隔斷來自太陽、地球和月亮的熱輻射，使望遠鏡系統保持在低于絕對溫度50K的低溫狀態下。
位于馬里蘭州的NASA戈達德太空飛行中心(GSFC) 領導研發工作，望遠鏡的地面控制運行機構是位于約翰霍普金斯大學的空間望遠鏡科學研究所（STScI）。主要承包商是諾斯洛普·格魯門公司（Northrop Grumman）。但由于韋布采用很多新技術，研制過程中遇到非常多的困難以及其他各種原因，導致項目嚴重超支，發射時間數次推遲，最新預估總耗費超過100億美元。
韋布攜帶四個科學終端儀器：近紅外相機NIRCam、近紅外光譜儀NIRspec、中紅外成像光譜儀MIRI和精確導星相機FGS/近紅外成像無縫光譜儀NIRISS。
NIRCam工作波段0.6-5微米，配備10片4百萬像素的近紅外芯片（夜視儀采用同類芯片），近紅外相機也用作望遠鏡調焦和鏡面精準控制的的波前成像。
NIRSpec能夠獲得0.6-5微米的光譜，有多目標、積分視場和長縫三種光譜觀測模式。通過旋轉光柵轉輪實現三個模式之間的切換。多目標觀測時，還啟用一個技術先進的微狹縫生成器對選定的數百天體設定通光狹縫。
MIRI工作波段5-27微米，由一個中紅外相機和一個成像分光儀組成。
CSA研制的FGS和NIRISS集成在一起，除了用來精確控制望遠鏡姿態以外，還能夠在0.8-5微米波段成像和無縫光譜。
韋布能夠提供比哈勃更高的紅外分辨率和靈敏度，比哈勃探測到的最微弱信號還要低100倍。
韋布之所以側重在近紅外到中紅外的觀測能力的主要原因有三：
由于紅移效應，高紅移天體的靜止光學波段輻射只能在紅外窗口來觀測；
宇宙中低溫天體（如原行星盤和系外行星）和介質的輻射主要集中在紅外波段；
地面觀測和現有空間望遠鏡（如哈勃望遠鏡）難以開展紅外波段高靈敏度的觀測。
韋布主要開展四個方面的科學目標：
第一代恒星和星系的形成；
星系形成和演化；
恒星形成和行星系統的形成；
行星大氣和生命起源。
韋布的探測能力遠超此前的地面和空間觀測設備，能夠對宇宙最遙遠的天體（包括第一代恒星和形成的第一代星系）進行觀測，也能夠辨識近鄰恒星-行星系統中潛在宜居系外行星的大氣成分。
02
一波三折的研制過程
韋布作為哈勃的繼任者，其研發計劃始于1990年代初期。NASA的空間望遠鏡技術研發團隊在1989-1994年間提出測量高紅移宇宙的下一代空間望遠鏡（NGST：Next Generation Space Telescope）的概念設計方案，計劃耗資5億美元，建造一個4米直徑的紅外望遠鏡，于2007年發射到3個天文單位 (AU) 的遙遠軌道上，大大減少黃道塵埃輻射和反射的背景光及其帶來的噪聲。
同時期，一些研究團隊還提出幾個不同的NGST概念設計方案，其中一個是在L2點放一個8米口徑的望遠鏡。
NASA于2002年9月重新命名NGST為詹姆斯·韋布空間望遠鏡；2003年下撥資金支持韋布的設計工作，并限制望遠鏡口徑至6.1米；2005年又根據預算重新規劃NGST的集成和測試計劃，發射時間推遲到了2013年。該項目的總成本估計為 45 億美元，其中包括用于設計、開發、發射和調試的約 35 億美元，以及用于十年運營的約10億美元。ESA包括發射在內貢獻了大約3億歐元。CSA于2007年承諾提供3900萬加元，計劃于 2012 年提供用于調節望遠鏡朝向和探測遙遠行星大氣的科學儀器。
2006年4月NASA對這一新規劃進行了獨立評審。2007年1月，10項技術開發項目中的9項順利通過評審。這些技術被認為足夠成熟，沒有重大風險。剩余的一項技術開發項目（MIRI 低溫冷卻器）于2007年4月評估認定技術成熟度滿足要求。
此后，進入韋布工程詳細設計階段。2008年3月，韋布項目成功通過系統工程設計評審，2009年3月完成綜合科學終端模塊設計評審，2009年10月完成的光學望遠鏡元件設計評審，2010年1月完成太陽遮罩設計評審，2010年4月通過詳細方案設計評審，滿足科學目標和工程要求，意味著韋布詳細設計方案可以滿足科學目標和工程要求，但建造預算已大大超過原來的預期。其后幾個月內，一個獨立綜合小組評審韋布項目的研制計劃時間表，對其可行性提出質疑，要求負責團隊重新制定新的研制計劃，爭取2015年發射，且不晚于2018年。
到2010年，韋布項目的花費顯著超出預算，已經影響到其他空間項目的立項。2011年美國國會有議員建議終止韋布項目。盡管如此，NASA設法使這一望遠鏡項目的研制工作繼續進行。
2011年，NASA對韋布的詳細設計、施工和運作的方案進行了詳細評審，并獲得通過。韋布復雜的設計方案不能再修改，項目轉入最終制造階段。
2015年11月開始研制機械手臂組裝主鏡分系統，2016年11月完成望遠鏡的建造組裝。此后開展廣泛的測試，發現很多問題，導致項目進度晚于計劃，不得不將發射日期推遲至2019年。2018年3月，由于望遠鏡的太陽遮罩在測試組裝期間撕裂，NASA將韋布的發射再推遲一年到2020年5月。2018年6月，根據2018年3月測試組裝失敗后召集的獨立審查委員會評估的結果，審查還發現還有344個潛在的故障點，NASA將發射時間再推遲10個月直到2021年3月。2019年8月，韋布其他機械結構完成組裝，并加裝好五層遮陽罩。這比原定于2007年完成NGST的計劃足足晚了12年。
施工完成后，韋布在加利福尼亞州雷東多海灘的諾斯洛普·格魯曼工廠進行了最終測試。受COVID-19新冠疫情影響，2020年望遠鏡測試工作幾乎處于暫停狀態。
03
發射和在軌展開
2021年9月26日韋布搭載一艘船離開加利福尼亞州，經過巴拿馬運河，于2021年10月12日抵達法屬圭亞那。北京時間2021年12月25日下午8:20，在法屬圭亞那的ESA庫魯基地，負責運送的阿麗亞娜5號火箭順利升空。2022年1月4日，韋布長達20米的遮陽罩完全展開。
2022年1月8日，望遠鏡的主鏡展開，這標志著該望遠鏡已順利完成全系統展開就位。2022年1月24日，韋布成功抵達最終目的地距離地球約150萬千米的日地系統拉格朗日L2點。
2022年2月初，韋布機載設備啟動后拍攝到了第一顆恒星的圖像并將其發回地球。2022年3月16日，NASA 舉行發布會，宣布韋布已經在3月11日完成關鍵的鏡面校準步驟中的精細相位調整，并公布了一張相位調整的照片。該照片是以一顆名為2MASS J17554042+6551277的恒星為基點，該顆恒星顯示出八條對稱的衍射芒。JWST的科學儀器也在逐步調整到最佳觀測狀態。
韋布的鏡面相位精調到位共焦共相后，由近紅外相機實際拍攝的恒星2MASS J17554042+6551277的星像，展現出8條衍射芒。圖片來源：NASA。
04
傳回首批科學圖像
2022年7月11日，在白宮新聞發布會上，美國總統喬·拜登為韋布的第一個深場彩色圖像揭幕。這是韋布的近紅外相機NIRcam僅用12.5小時曝光獲得的星系團SMACS 0723的圖像數據，是迄今在近紅外窗口拍攝的最深且分辨最清晰的宇宙照片，展現了前所未見的豐富細節。
星系團SMACS 0723距離我們46億光年，是一個巨大的“引力透鏡”，把背后更遠的星系的光放大數倍，更有利于天文學家觀測研究。其中部分星系的圖像甚至因為強透鏡效應被扭曲成圓弧！圖像展現的上千星系形態各異，分布于宇宙不同時期，甚至有宇宙大爆炸之后僅3億年時期形成的星系。
韋布拍攝的星系團SMACS 0723的圖像。圖片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同發布。
2022年7月12日美國東部時間10:30，NASA召開新聞發布會，展示韋布首批科學數據中的其他圖像，通過視頻直播專業研究人員解讀這些數據的科學潛力和價值。
第二張圖展示的是韋布近紅外成像無縫光譜儀NIRISS獲得的系外行星WASP-96 b的0.6-2.8微米波段的透射光譜。這顆系外行星位于南天球鳳凰座，距離地球1150光年，主星是一顆類似太陽的恒星。WASP-96 b是一顆氣態巨行星，質量為木星的一半，直徑更大，軌道周期3.5地球日。展示的光譜是6月21日這顆系外行星穿過主星前方（即凌星）時觀測到的。行星凌星時會部分遮擋主星的光，其大氣中的氣體分子也會在恒星輻射譜上留下吸收特征。與沒有遮擋時的恒星光譜對比，就能得到系外行星大氣的透射譜。
韋布拍攝的系外行星大氣光譜，顯示氣態大氣中水分子等吸收特征。圖片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同發布。
圖中標記水分子的譜特征，顯示該系外行星表面溫度可達700多攝氏度。基于這些光譜信息，研究人員能夠分析行星大氣的主要氣體成分、其中的云霧變化等，能夠確切了解系外行星的更多具體特征。系外行星WASP-96 b的大氣透射譜的豐富細節，展現了韋布無與倫比的觀測能力，能夠對系外行星的研究帶來變革性的影響。
韋布NIRcam相機拍攝的Carina星云西北角的恒星形成區NGC3324的彩色圖像。圖片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同發布。
上面這一圖像是韋布NIRcam相機拍攝的Carina星云西北角的恒星形成區NGC3324的彩色圖像，看起來像“宇宙懸崖”。NGC3324距離我們7600光年，是非常有名的恒星形成區域。圖像中展示的星云中的很多小亮點，是內部誕生的恒星，它們在光學窗口幾乎不可見。而近紅外輻射穿透能力強，可以揭示星云塵埃和氣體內部恒星如何形成，以及年輕大質量恒星的輻射對周圍的星云的反饋作用。韋布的MIRI儀器也拍攝了NGC3324的中紅外圖像，能夠探測到星云中誕生的年輕星周圍的原行星盤以及外流等結構特征。
韋布NIRcam和MIRI相機拍攝的位于南天球船帆座的南環星云彩色圖像。左圖是近紅外圖像，右圖是中紅外圖像。圖片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同發布。
上圖是行星狀星云NGC3132的近紅外（左）和中紅外的圖像。NGC3132距離我們2500光年，是一顆正在死亡的恒星，外部的包層物質被拋離，形成一個氣體和塵埃環帶，色彩豐富，非常壯美！韋布的觀測首次揭示中心恒星還有一顆被塵埃遮蔽的伴星！圖像展現星云的極其精細的結構，和反射中心恒星的星光示蹤內部的物質分布，能夠幫助天文學家們極大地增進對恒星晚期演化的物理過程的認識。
韋布NIRcam和MIRI相機拍攝的致密星系群Stephan’s Quintet的近紅外和中紅外合成的彩圖。圖片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同發布。
上圖是非常著名的星系群Stephan’s Quintet的近紅外和中紅外圖像合成的彩色圖像。這一星系群又稱Hickson致密星系群表中編號92 （HCG92），有五個成員星系，其中四個彼此距離非常近，正在經歷并合和相互作用。位于圖像最左邊的第五個星系NGC7320是一個旋渦星系，距離我們更近（4千萬光年），沒有受到其他成員星系（2.9億光年）的顯著引力拖拽。星系的并合和相互作用是星系演化過程的一個極其重要的機制。韋布的觀測數據具有極高的空間分辨率和靈敏度，可以對這一星系群中并合星系的恒星和塵埃的空間分布做精細的研究，對理解星系相互作用究竟如何影響星系演化提供極有價值的觀測實證。
作為哈勃的繼任者，韋布在遙遠的深空軌道，通過新的窗口以前所未有的分辨率和靈敏度觀察宇宙更深處，精測更暗弱的天體，成為人類探索宇宙最強大的觀天利器。
作者簡介
鄭憲忠