The Innovation | James Webb太空望远镜今日发射升空
图1 James Webb太空望远镜
(NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez)
导 读
北京时间今晚8点20分，人类历史上最庞大、最复杂的太空望远镜—James Webb太空望远镜 (James Webb Space Telescope, JWST) 将从法属圭亚那库鲁发射中心搭乘阿丽亚娜5号火箭发射升空。这项耗资100亿美元、历时三十多年、数代科研工作者打造的史诗级望远镜将帮助科学家们观测最古老的恒星和星系，寻找太阳系外生命的证据，以及实现其他的重要科学目标。
图2 巨大的阿丽亚娜5号火箭模型矗立在圭亚那航天中心的入口处（NASA/Bill Ingalls）
1996年研发至今，期待已久的Webb望远镜终于要将我们带回135亿多年前，探索宇宙中第一批发光体是如何形成的。有理论认为，大爆炸发生后的宇宙就像一锅由质子、中子、电子等粒子组成的热汤。宇宙逐渐冷却下来，这些粒子结合到一起成为中性原子，光子得以自由地传播，形成宇宙的初光。Webb望远镜的任务就是观测这第一道光、第一批恒星是如何诞生的，以及第一批星系是如何形成的——这些早期的星系看起来又小又笨拙，与我们银河系今天的样子截然不同。
为保证万无一失，Webb望远镜的发射时间一再推迟，最后居然落到美国时间圣诞节当天的早晨！美国卡内基科学研究所的天文学家Johanna Teske表示，她对发射感到非常兴奋，这就像是一份特殊的圣诞礼物。她告诉The Innovation, 虽然不能和同事们聚到一起观看发射, 她们还是打算利用Zoom开一个在线发射派对。“估计大家会一大早穿着睡衣在屏幕前现身，边喝咖啡边看发射实况。”
图3 Webb望远镜将从红外波段观测系外行星，测量部分系外行星的大气组成成分，推断这些行星可能的形成过程。(NASA, ESA, and G. Bacon (STScI) )
Johanna和Natasha团队已成功申请到了Webb望远镜141.6小时的观测时间，计划通过掩星法观测11颗选定的系外行星，测量它们的大气成分，分析行星大气的多样性，并揭示这些系外行星是如何形成的。
图4 Johanna Teske (左)和Natasha Batalha (右)
“对我来说，能获得这么多观测时间仍然像做梦一样，”Teske说。就在几年前，她还在使用地面望远镜来测量我们银河系中所谓“超级地球”和“亚海王星”这两类行星的质量。这些行星的半径通常为地球的1-3倍，形态介于太阳系气态行星和固态行星之间。在一次讲座中，她偶然遇到了专门研究行星大气、现在在NASA艾姆斯研究中心工作的Natasha Batalha，她们两人开始提出并完善这个设想。今年初，她们的申请不仅顺利通过，还成为Webb望远镜在系外行星通用研究领域最大的项目。“我们团队的成员拥有行星理论和观测等专业背景，在大家的共同努力下申请获得了成功，能与这些世界一流的科学家一起工作我非常兴奋，” Teske 说。
中国科学家也对此次发射表现出极大的热情。清华大学天体物理学家、高红移星系和早期宇宙星际介质研究团队的首席科学家蔡峥表示， “第一次听说Webb望远镜大约是在十三年前，当时我还是中国科学技术大学的一名本科生，Webb将把人类带到宇宙边缘，呈现第一缕光、第一批恒星和第一批星系形成的壮观景象，”他说。
在美国攻读博士期间，蔡峥有大量使用哈勃望远镜数据进行科研的经验，并在加入清华大学前担任了三年的哈勃研究员。哈勃望远镜发射于1990年，是历史上最成功的空间科学项目之一，彻底革新了我们对宇宙的认识。比如，哈勃获得的确凿证据表明宇宙膨胀得越来越快，而巨大的黑洞无处不在。迄今为止，已有18000多篇有关哈勃望远镜的论文发表，而这些论文又推动了Webb望远镜科学目标的凝练。
哈勃主要在可见光和紫外波段观测，而Webb将主要在红外波段观测。红外线能够穿过星系际介质中的气体和尘埃，提供来自最遥远的恒星和星系的信息。“Webb望远镜的大孔径和波长覆盖范围让我印象深刻，这是地面望远镜可望而不可及的，” 蔡峥说。
图5 Webb望远镜以美国NASA第二任局长James Webb名字命名。Webb在任期间（1961-1968）为阿波罗登月计划的实施奠定了坚实基础。他并非科学家出身，却特别强调将科学目标放在空间项目的首位（George Tames, Fortune）
作为美国NASA、欧洲航天局和加拿大航天局的联合项目，Webb配备了四种科学仪器，分别是近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像仪和无缝隙光谱仪。这些仪器不仅可以探测第一道光和系外行星，还能像哈勃那样为全世界的太空发烧友们拍摄来自遥远天体的精美照片。与哈勃直径2.4米的主镜相比，Webb的主镜直径达到6.5米，是有史以来被送入太空的最大镜面，其上镀有一层非常薄的金元素以帮助反射红外光。Webb还配备了网球场大小的五层遮光罩，以阻挡来自太阳、地球和月球的热量，以满足红外观测的苛刻要求，将镜子和仪器保持在 -220°C 的极低温。
发射升空后，Webb望远镜大约需要一个月的时间才能到达最终目的地。那是一个距离地球150万公里以外的引力平衡点，被称为日地拉格朗日L2点。到达L2点后，Webb将围绕太阳运行并与地球保持同步，其主镜面朝向深空进行预定的观测。一切顺利的话，Webb望远镜大概半年之后便可向地球传回第一批高质量图像，并在推进剂耗尽前至少工作十年。
一起来看发射吧！NASA官方直播将于北京时间2021年12月25日晚7点开始，观看地址：
https://www.nasa.gov/live
备注：直播结束后还将召开新闻发布会，通报发射情况、并介绍望远镜在空间的展开等工作计划。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00123-5
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以News & BUZZ发表的“Webb Telescope Goes into Space” (投稿: 2021-11-09；接收: 2021-12-14；在线刊出: 2021-12-16)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100198
引用格式：Xin L. (2021). Webb Telescope Goes into Space. The Innovation. 3(1),100198.
作者简介
辛玲，科学记者，独立撰稿人。主要报道领域为物理、天文和空间科学，作品见于Science, Scientific American, MIT Technology Review, Physics World等。美国俄亥俄大学新闻硕士，曾任Science杂志新闻部访问记者、《中国科学院院刊》（英文版）记者。
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