探索宇宙之谜的新征程——哈勃太空望远镜“接班人”

包裹地球的大气层，为人类生存提供了不可或缺的条件。而对于人类在地面上开展天文观测来说，大气层不但会遮挡红外、紫外和X射线等波段的天体辐射信号，还会对可见光等波段的观测质量产生不利影响。

将天文望远镜发射到太空之中，在浓密大气之外开展天文观测，就可摆脱这些限制。20世纪90年代发射的哈勃太空望远镜，取得许多开创性科学发现，也产出不少震撼人心的天文图片。2021年12月25日，哈勃太空望远镜“接班人”——新一代的詹姆斯·韦伯空间望远镜，在法属圭亚那库鲁航天中心，由欧洲空间局阿丽亚娜5型火箭发射升空，开启了人类探索宇宙之谜的新征程。

在电磁波谱上，人眼可感知的波段为可见光。在可见光波段中，红光的波长最长，紫光的波长最短。波长比红光更长的波段被称为红外波段，而比紫光更短的波段被称为紫外波段。哈勃太空望远镜主要在紫外、可见光波段开展观测，同时具备有限的红外观测能力。詹姆斯·韦伯空间望远镜的观测波段以红外波段为主，同时覆盖电磁频谱上与红外波段相邻的一小部分可见光区域。也就是说，詹姆斯·韦伯望远镜将看到哈勃望远镜看不到的世界。

在前几期文章中，我们介绍了恒星由星际尘埃聚合创生的过程。在此过程中，形成恒星的星云内部所发射的信号，需要穿越其周围的星际尘埃才能被外界观测到。相较于可见光，红外波段的信号能更有效地穿透这些尘埃物质，从而让科学家更真切地看到恒星形成过程中的细节。

宇宙自诞生伊始，一直处于不断膨胀的过程中，其他天体也因此在不断远离我们。天体远离观测者运动时，其发射的信号会产生“红移”现象，即观测者所接收到的信号波长比天体实际发射的信号波长更长。那些距离我们非常遥远的天体，发射的信号需要经历漫长时间，才能传播到地球附近。这些信号中，可能携带有宇宙创生初期一些关键过程的信息。一些本来在可见光甚至紫外波段发射的信号，在“红移”现象作用下，来到地球附近时波长已移动到了红外波段。

因此，无论是研究恒星诞生的过程，还是探究宇宙初生的秘密，都需要望远镜在红外波段开展观测。也正是基于这个原因，詹姆斯·韦伯望远镜选择了红外波段作为自己的“主战场”。

要观测到遥远天体传来的暗弱红外辐射信号，望远镜必须工作在非常低的温度下。这也是詹姆斯·韦伯望远镜在工程技术上的主要挑战。为了给望远镜创造适宜的工作环境，詹姆斯·韦伯望远镜配备了一套面积巨大的隔热遮光挡板。这套挡板大小与一个网球场面积差不多，由5层极为纤薄的聚酰亚胺材料构成。在工作过程中，挡板不但能遮挡来自太阳的强烈辐射，还能将望远镜卫星平台上其他仪器工作过程中产生的热量与望远镜本体隔绝开。在朝向太阳一端，隔热挡板温度可高达125℃。然而，在它的保护下，望远镜本体的温度可始终保持在-235℃左右。

为了给望远镜工作创造相对稳定的外部热辐射环境，詹姆斯·韦伯望远镜选择了日地第二拉格朗日点作为自己的工作位置。第二拉格朗日点与太阳的距离大于地球和太阳之间的距离，在地球和太阳引力的共同作用下，处在第二拉格朗日点的飞行器与地球相对位置保持不变，能用和地球相同的角速度绕太阳公转。相比于其他可选的工作位置，日地第二拉格朗日点阳光照射来的方向是稳定的，从而可让詹姆斯·韦伯望远镜的隔热挡板指向相对固定的方向，从太阳上接收到的热辐射量也比较稳定。与此同时，望远镜卫星平台也能获得与地球通信的良好条件。

不过，第二拉格朗日点与地球距离十分遥远，约为150万公里，是地月距离的4倍左右。望远镜在此定位工作后，没有机会像工作在近地轨道的哈勃望远镜一样，获得宇航员的维护。为了尽量降低出现故障的可能，詹姆斯·韦伯望远镜在地面上经历了相当严苛和繁杂的测试过程。

詹姆斯·韦伯望远镜主镜面直径为6.5米，约是哈勃望远镜的2.7倍。如此巨大的镜面直径，已超出目前可用的运载火箭的整流罩直径。为了能顺利发射升空，科技人员将望远镜主镜分解成18个六面体镜面单元，单元之间可相互分离。在发射过程中，望远镜主镜和面积巨大的隔热遮光板呈折叠状态。进入太空后，它们再逐步展开和组合，形成一个完整的主镜面。巨大的主镜扩大了望远镜获取观测分辨率的极限，使得詹姆斯·韦伯望远镜也能在寻找宜居行星的研究中发挥作用。

根据最新消息，詹姆斯·韦伯望远镜主镜的展开已基本完成，各个镜面单元正在进行自身调整，以完成后续观测工作。

探索宇宙之谜的新征程——哈勃太空望远镜“接班人”

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