包裹地球的大氣層，為人類生存提供了不可或缺的條件。而對(duì)于人類在地面上開展天文觀測(cè)來(lái)說，大氣層不但會(huì)遮擋紅外、紫外和X射線等波段的天體輻射信號(hào)，還會(huì)對(duì)可見光等波段的觀測(cè)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。
將天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到太空之中，在濃密大氣之外開展天文觀測(cè)，就可擺脫這些限制。20世紀(jì)90年代發(fā)射的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，取得許多開創(chuàng)性科學(xué)發(fā)現(xiàn)，也產(chǎn)出不少震撼人心的天文圖片。2021年12月25日，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡“接班人”——新一代的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，在法屬圭亞那庫(kù)魯航天中心，由歐洲空間局阿麗亞娜5型火箭發(fā)射升空，開啟了人類探索宇宙之謎的新征程。
在電磁波譜上，人眼可感知的波段為可見光。在可見光波段中，紅光的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光的波長(zhǎng)最短。波長(zhǎng)比紅光更長(zhǎng)的波段被稱為紅外波段，而比紫光更短的波段被稱為紫外波段。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡主要在紫外、可見光波段開展觀測(cè)，同時(shí)具備有限的紅外觀測(cè)能力。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段以紅外波段為主，同時(shí)覆蓋電磁頻譜上與紅外波段相鄰的一小部分可見光區(qū)域。也就是說，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將看到哈勃望遠(yuǎn)鏡看不到的世界。
在前幾期文章中，我們介紹了恒星由星際塵埃聚合創(chuàng)生的過程。在此過程中，形成恒星的星云內(nèi)部所發(fā)射的信號(hào)，需要穿越其周圍的星際塵埃才能被外界觀測(cè)到。相較于可見光，紅外波段的信號(hào)能更有效地穿透這些塵埃物質(zhì)，從而讓科學(xué)家更真切地看到恒星形成過程中的細(xì)節(jié)。
宇宙自誕生伊始，一直處于不斷膨脹的過程中，其他天體也因此在不斷遠(yuǎn)離我們。天體遠(yuǎn)離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，其發(fā)射的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生“紅移”現(xiàn)象，即觀測(cè)者所接收到的信號(hào)波長(zhǎng)比天體實(shí)際發(fā)射的信號(hào)波長(zhǎng)更長(zhǎng)。那些距離我們非常遙遠(yuǎn)的天體，發(fā)射的信號(hào)需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)時(shí)間，才能傳播到地球附近。這些信號(hào)中，可能攜帶有宇宙創(chuàng)生初期一些關(guān)鍵過程的信息。一些本來(lái)在可見光甚至紫外波段發(fā)射的信號(hào)，在“紅移”現(xiàn)象作用下，來(lái)到地球附近時(shí)波長(zhǎng)已移動(dòng)到了紅外波段。
因此，無(wú)論是研究恒星誕生的過程，還是探究宇宙初生的秘密，都需要望遠(yuǎn)鏡在紅外波段開展觀測(cè)。也正是基于這個(gè)原因，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡選擇了紅外波段作為自己的“主戰(zhàn)場(chǎng)”。
要觀測(cè)到遙遠(yuǎn)天體傳來(lái)的暗弱紅外輻射信號(hào)，望遠(yuǎn)鏡必須工作在非常低的溫度下。這也是詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡在工程技術(shù)上的主要挑戰(zhàn)。為了給望遠(yuǎn)鏡創(chuàng)造適宜的工作環(huán)境，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡配備了一套面積巨大的隔熱遮光擋板。這套擋板大小與一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)面積差不多，由5層極為纖薄的聚酰亞胺材料構(gòu)成。在工作過程中，擋板不但能遮擋來(lái)自太陽(yáng)的強(qiáng)烈輻射，還能將望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星平臺(tái)上其他儀器工作過程中產(chǎn)生的熱量與望遠(yuǎn)鏡本體隔絕開。在朝向太陽(yáng)一端，隔熱擋板溫度可高達(dá)125℃。然而，在它的保護(hù)下，望遠(yuǎn)鏡本體的溫度可始終保持在-235℃左右。
為了給望遠(yuǎn)鏡工作創(chuàng)造相對(duì)穩(wěn)定的外部熱輻射環(huán)境，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡選擇了日地第二拉格朗日點(diǎn)作為自己的工作位置。第二拉格朗日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離大于地球和太陽(yáng)之間的距離，在地球和太陽(yáng)引力的共同作用下，處在第二拉格朗日點(diǎn)的飛行器與地球相對(duì)位置保持不變，能用和地球相同的角速度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。相比于其他可選的工作位置，日地第二拉格朗日點(diǎn)陽(yáng)光照射來(lái)的方向是穩(wěn)定的，從而可讓詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的隔熱擋板指向相對(duì)固定的方向，從太陽(yáng)上接收到的熱輻射量也比較穩(wěn)定。與此同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星平臺(tái)也能獲得與地球通信的良好條件。
不過，第二拉格朗日點(diǎn)與地球距離十分遙遠(yuǎn)，約為150萬(wàn)公里，是地月距離的4倍左右。望遠(yuǎn)鏡在此定位工作后，沒有機(jī)會(huì)像工作在近地軌道的哈勃望遠(yuǎn)鏡一樣，獲得宇航員的維護(hù)。為了盡量降低出現(xiàn)故障的可能，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡在地面上經(jīng)歷了相當(dāng)嚴(yán)苛和繁雜的測(cè)試過程。
詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡主鏡面直徑為6.5米，約是哈勃望遠(yuǎn)鏡的2.7倍。如此巨大的鏡面直徑，已超出目前可用的運(yùn)載火箭的整流罩直徑。為了能順利發(fā)射升空，科技人員將望遠(yuǎn)鏡主鏡分解成18個(gè)六面體鏡面單元，單元之間可相互分離。在發(fā)射過程中，望遠(yuǎn)鏡主鏡和面積巨大的隔熱遮光板呈折疊狀態(tài)。進(jìn)入太空后，它們?cè)僦鸩秸归_和組合，形成一個(gè)完整的主鏡面。巨大的主鏡擴(kuò)大了望遠(yuǎn)鏡獲取觀測(cè)分辨率的極限，使得詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡也能在尋找宜居行星的研究中發(fā)揮作用。
根據(jù)最新消息，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡主鏡的展開已基本完成，各個(gè)鏡面單元正在進(jìn)行自身調(diào)整，以完成后續(xù)觀測(cè)工作。