成功拍摄遥远宇宙红外图像，韦伯望远镜做到了！

2021年12月25日，詹姆斯·韦伯太空望远镜搭乘欧空局阿里安5-ECA火箭成功升空，开始了它前往150万千米外“日-地拉格朗日2点”的旅途。

2022年7月11日，在“离家”半年后，韦伯望远镜为人类寄回了第一张“明信片”——迄今为止最深、最清晰的遥远宇宙红外图像。

詹姆斯·韦伯空间望远镜拍摄到的首张深场宇宙红外全彩图像。

（图源：NASA官网）

这是韦伯望远镜的第一张全彩色图像，由韦伯的近红外相机(NIRCam)拍摄的深场由不同波长的图像合成，总共需要12.5小时，达到了哈勃太空望远镜最深场之外的红外波长深度。

那么，为何韦伯望远镜能够达到如此高水准的观测能力呢？一起来一探究竟吧。

韦伯望远镜上的黑科技

詹姆斯·韦伯的观测波段主要集中于波长为0.6-28.3微米的橙色光到红外线频段，它的更大口径和一系列新技术带来了远超前任哈勃、施皮茨、赫歇尔等知名太空望远镜的观测能力。

詹姆斯·韦伯看起来犹如一艘太空战舰

（图片来源：NASA）

例如，它能够看到更暗更古老的天体，甚至可以追踪到宇宙中第一批星系形成的痕迹，投入工作后将会极大提升人类红外天文学的相关研究。

为了获得更好的观测能力，詹姆斯·韦伯在各项方面都进行了升级、更新，大大提高了各方面的性能。

1、更大口径的镜片

光学和红外望远镜的核心是镜片，其口径与观测能力成正比，但也需要更高成本。相比此前最大的哈勃望远镜，詹姆斯·韦伯的镜片口径从2.4米提升到了6.5米，集光面积也从4.5平方米攀升到了25.4平方米。

人类、哈勃望远镜主镜和詹姆斯·韦伯主镜的大小对比

（图片来源：NASA）

镜片太大，几乎很难整体制造，不仅失败风险大、材料成本极高，也势必带来整体质量和体积的攀升，甚至远超人类现有火箭的发射能力。因此，詹姆斯·韦伯的镜面设计选择了拼接方案，由18面一模一样的六边形组成，发射时折叠起来，进入太空后再拼接到一起。

2、堪称“鬼斧神工”的镜面材料

詹姆斯·韦伯在制造、发射和工作时要面临截然不同的温度环境。**特别是它的核心器件工作温度已非常接近绝对零度，对镜面材料的要求极高，**因此需要同时具备抗弯刚度高、热稳定性好、热导率高、反射率高、密度低、温度形变小、性质不活泼等特点。

**而在精度要求上，最后镜片成型的制造加工精度要达到10纳米级别，**这个要求所允许的误差相当于一张A4纸厚度的万分之一！而且在进入太空后，整体拼接和镜片姿态控制的精度也要达到同等水平。

综合上述要求，詹姆斯·韦伯的镜片主要材料选择了碱土金属铍，10纳米几乎就是几十个铍原子并排摆在一起的宽度，这是接近“鬼斧神工”级别的制造加工工艺要求。

3、一把屏蔽热量的“太阳伞”

远离地球，不代表能彻底摆脱地球的干扰，詹姆斯·韦伯还要面对太阳光和地球反射光/热辐射的干扰。为此，它需要背上一个大大的“太阳伞”来屏蔽热量，并使用主动冷却系统维持核心部件接近绝对零度的工作环境。

遮阳板总共有五层，都要精准打开

（图片来源：NASA）

按照设计要求，这把伞需要提供300摄氏度以上的温度屏蔽效果。这相当于一面是高温油炸，另一面却是冰天雪地。它的每一层材料主要由聚酰亚胺、硅膜和铝膜构成，首层最厚也仅为50微米，比人类头发丝直径还小，而中间层仅为25微米。

更大的难度还在后面——这把“太阳伞”如何顺利展开？

“太阳伞”每一层的面积约300平米，在发射时会被塞进火箭里剧烈振动，进入太空后要在激光引导下让100余个小型拖车带着逐层展开。难度可想而知，这无疑是人类历史上最厉害的一个遮阳板。

詹姆斯·韦伯的官方海报

（图片来源：NASA）

要想产出质量高，还得工作环境好

我们都知道，哈勃望远镜虽然远在太空中，但也仅离地球表面大约575公里，可以说“紧挨”着地球。那詹姆斯·韦伯为什么不能像哈勃望远镜一样，在离地球近一些的地方工作呢？

这是因为地球和所有的物体一样都是热源，在源源不断往外反射阳光和辐射红外线，否则就会持续变暖。因此，即使在太空中，地球附近不可避免地存在逃逸的空气分子和星际尘埃，对太空望远镜依然有一定影响。对于更加精密的詹姆斯·韦伯来说，这些影响尤其明显。所以，它必须想尽办法远离它的诞生地——地球。

然而，“逃离”地球后，并非就万事大吉了。进入错综纷繁的引力世界，航天器将受到太阳、地球、月球，乃至宇宙万物的引力影响，这使得它的轨道很难稳定下来。对于质量和体积都很大的望远镜而言，频繁地通过发动机工作维持轨道，不仅会导致发射时必须携带大量推进剂，也会极大地影响观测质量。

詹姆斯·韦伯太空望远镜位置示意图

（图片来源：NASA）

因此，必须要在上述要求中找到一个平衡。权衡利弊后，**科学家们选择了日-地引力平衡的拉格朗日2点作为詹姆斯·韦伯的工作地点。**这里距离地球150万公里（月球距离地球不过38万公里），远离了地球这个热源和灰尘源的干扰，温度也低达零下220摄氏度以下，可满足望远镜的整体工作温度环境要求。

此外，在“日-地拉格朗日2点”，太阳和地球两大引力源和谐共处，共同牵引附近的航天器围绕太阳稳定运动，航天器所需要的轨道维持成本极低。

在詹姆斯·韦伯望远镜刚发射升空时，人们便开始期待它会给人类带来什么？而这次发回地球的照片无疑证明了它的实力，我们期待它能够朝着宇宙的边界继续探寻，进一步为人类展现来自宇宙深处的奥秘。

参考资料：

1. https://www.jwst.nasa.gov

2. https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

3. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/j/jwst

出品：科普中国

制作：太空精酿

监制：中国科普博览