韋伯太空望遠鏡：天文學的下一個時代

憑著天賦五官，人類開始探索宇宙的浩瀚，並稱這趟奇幻之旅為科學。

——哈勃

上個月，NASA 戈達德太空飛行中心傳來了令人振奮人心的好消息——NASA的新一代詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）建造已全數完工，預計在2018年發射。在這之前，JWST得先經歷一連串嚴苛的飛行前測試和考驗。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。（? NASA）

我們知道，哈勃太空望遠鏡（HST）自發射以來已經為人類探索太空做出了無與倫比的貢獻，它所達到的科學成就早就超過了預期，它無疑是人類史上最偉大的發明之一。但是，作為 HST 的繼任者，JWST要比 HST 強上100倍，屆時定能打開天文學的一個新篇章。

我們首先來對比一下 HST 和 JWST 之間的一些區別：

【大小】

HST 的大小約一輛學校大巴那麼大，其主鏡的直徑為2.4米；而 JWST 有一個網球場那麼大，主鏡的直徑達到6.5米，這意味著它能夠收集更多的光。JWST的鏡面上鍍了一層超薄的黃金膜，可以提高紅外反射率。圖中看到的每一個鏡片都要打磨數年的時間，並在低溫環境下進行檢測。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡主鏡。（? NASA）

【波長】

HST 的觀測波段為可見光和紫外波段，包括了一小部分的紅外波段。而 JWST主要的觀測波段為紅外波段，以及一小部分可見光。

（? NASA）

【軌道】

地球距離太陽大約1.5億公里，而月球在距離約384，500公里的位置繞著地球轉。哈勃太空望遠鏡在地球上空約570公里的地方繞著地球轉。

（? NASA）

JWST 將不會圍繞著地球轉，它會被發射到距離地球外側150萬公里的第二拉格朗日點上，在這個位置引力相對穩定。

（? NASA）

【看的多遠？】

光線傳播是需要時間的，因此我們看的越遠，就代表我們看到的是越早期的宇宙。由於宇宙的膨脹，宇宙早期的物體輻射出來的光，在到達地球的時候，光的波長會被拉長，我們說光紅移了。因此 JWST 主要設計用來觀測電磁波譜中的紅外波段。

JWST將看到宇宙誕生後的2億年時發生的事情。（? NASA）

而這個優勢就足以讓 JWST 探索需要 HST 所不能完成的任務。帶著我們對它的期許，JWST 將在四個方面為我們對宇宙帶來全新的認識：尋找第一束光和再電離時期，研究星系的誕生和演化，了解恆星和原行星系統的誕生，觀察行星系統和生命的起源。

【第一束光】

根據我們目前已經的最好理論預言，在宇宙早期產生的第一批恆星，相比我們的太陽，質量要高出30 - 300倍，亮度也要高出百萬倍。然而它們只有幾百萬年的壽命，最後會在超新星爆發中結束自己的生命。

JWST可以看到第一批恆星和星系的誕生。（? STSci）

第一批恆星會輻射出能量非常高的紫外線，足以轟擊分離氫原子，變成電子和質子。對遙遠類星體的光譜分析，我們估計這大約發生在宇宙誕生的10億年左右。這個時期被稱為再電離時期。這個過程可以間接的被天文學家用來更好的研究第一批恆星的性質。

我們之所以想要知道這些事因為我們不知道這個時期究竟是什麼時候開始的，以及這第一批恆星是如何影響到之後的物體（比如星系）的形成。

同時，第一批恆星也可能坍縮形成黑洞。當這些黑洞被周圍物體餵養的時候，它們會先形成小型的類星體。之後就會慢慢的成長併產生我們今天所觀測到所有星系中央的超大質量黑洞。

【星系的誕生和演化】

天文學家知道第一批星系大約誕生於宇宙誕生後的10億年。那個時候的大部分星系都比較小和不規則。雖然我們收集到了許多數據，但是仍然有許多的問題等待著我們去揭開謎底。

星系的分類。（? University of Washington）

科學家不知道星系究竟是怎麼誕生的以及是什麼決定它們的形狀（為什麼有些事橢圓有些事螺旋的？），他們也不知道化學元素是怎麼在星系內分布的，以及星系中央的黑洞是具體是如何影響它們的寄主星系的。科學家也繼續在探索星系之間的碰撞和合併的細節。

星系之間的碰撞產生一條長長的尾巴。（? NASA）

通過分析最早期的星系，就可以跟現在的星系進行對比，我們就可以追蹤星系是如何成長和演化的。

【恆星和原行星系統的誕生】

老鷹星雲的創生之柱，圖中顯示的為可見光波段。（? NASA/ESA）

上面這張圖片就是著名的創生之柱，它是老鷹星雲內圓柱形的星際氣體和塵埃，並且是誕生恆星的搖籃。但是 HST 無法窺視這些塵埃的內部，因為恆星輻射出的可見光會被塵埃阻擋。

HST從紅外波段拍攝的創生之柱，在塵埃和氣體的背後其實隱藏著大量的恆星，JWST將會揭開更多的細節。（? NASA/ESA）

為了揭開恆星和行星的誕生和早期演化的謎團，我們必須能夠穿過雲團，觀測恆星的誕生區域。雖然這些區域對可見光是不透明的，對紅外線卻是透明的，而這也是JWST的優勢所在。除了能夠看到恆星的形成，它還可以觀測到行星系統形成的許多細節。

ALMA拍攝到的年輕恆星HL Tau 以及它的原行星盤。圖中可以清晰的看到盤中的間隙，那是因為行星清掃了自身軌道的塵埃和氣體。這是有史以來拍過最清晰的正在形成的恆星系統。（? ALMA）

【行星和生命的起源】

我們發現的第一個太陽系以外的恆星系統是一個脈衝星，而不是像太陽一樣的主序星。在那之後我們找到了上千個系外行星。JWST也承擔著尋找系外行星的任務，特別是像地球的行星。

凌日法。（? NASA）

JWST尋找系外行星的其中一個方法是凌日法（上圖）。如果一顆行星從母恆星盤面的前方橫跨時，將可以觀察到恆星的亮度會略為下降。結合地面望遠鏡，就可以推算出行星的質量。JWST也將攜帶日冕儀直接對系外行星成像。

恆星發出的光經過行星的大氣層，通過光譜分析得出大氣層含有大量的鈉。（? A.Field, STScl）

JWST的另一個主要目的是研究這些系外行星的大氣層。當行星經過恆星的時候，星光會穿過大氣層。如果大氣層中含有鈉，那麼我們從光譜中會看到鈉的「吸收線」。而紅外望遠鏡的優點在於，系外星系的大氣層中的分子在紅外波段會有許多特點。當然，研究這些的目的是為了找到跟地球相似的大氣層。

除此之外，JWST將會探索太陽系自身。比如JWST會幫助我們理解火星大氣層中的微量有機物，研究氣體巨行星的季節性天氣，觀測小行星的礦物學等等。JWST也將幫助我們揭開地球上生命的起源之謎。

對以上問題的探索，會徹底改變我們對宇宙的理解。JWST無疑將開啟天文學的一個新時代。

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