最后更新：2025年10月5日

韦布望远镜：对宇宙第一缕光的前所未有之窥探

詹姆斯·韦伯望远镜轨道已在太空部署 — *詹姆斯·韦伯太空望远镜的轨道。詹姆斯·韦伯太空望远镜以设计阿波罗计划的NASA局长詹姆斯·埃德温·韦伯（1906-1992）命名。图片来源：NASA/ESA*

詹姆斯·韦伯望远镜：红外线、镜面与宇宙起源

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是有史以来发射到太空、用于在红外波段观测宇宙的最强大仪器。作为哈勃望远镜的继任者，它通过捕捉数十亿光年外宇宙天体发出的极低能量光子，实现了技术上的飞跃。凭借直径6.5米的分段主镜以及在拉格朗日L2点的复杂部署，詹姆斯·韦伯望远镜观测到了大爆炸后形成的最早星系，揭示了此前不可见的宇宙时代。

为什么JWST被放置在拉格朗日点L2？

拉格朗日L2点位于地球背向太阳方向约150万公里处，为红外观测提供了稳定且独特的轨道环境。这一引力平衡点使詹姆斯·韦伯太空望远镜能够保持相对于地球和太阳近乎固定的位置，简化了卫星的热控与能源管理。通过在L2点周围运行（晕轨道），望远镜可使其遮阳罩持续朝向太阳、地球和月球——这些天体始终位于同一侧。这种构型对于将科学仪器被动冷却至低温（<50K）至关重要，可防止望远镜自身热量掩盖来自宇宙的微弱红外信号。

此外，与哈勃的低地球轨道（约540至560公里）不同，L2位置使詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）能够最大程度减少掩星现象和观测中断，提供更稳定、更连续的天空视野。这一战略位置还能限制地球红外辐射的干扰，同时通过指向地球的天线与地面站保持定期通信。总之，L2兼具热稳定性、最大可见性和能源效率——这是JWST科学任务的三个关键条件。

光学技术与极端冷却

詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）面临的主要挑战之一是在热红外波段运行，这需要低温环境。其五层隔热罩可保护仪器免受太阳和地球辐射的影响，将温度降至50开尔文以下。搭载的四台科学仪器——近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）以及精细导星传感器/近红外成像无缝隙光谱仪（FGS/NIRISS）——覆盖了0.6至28微米的宽光谱范围。这一光谱可探测系外行星大气中分子的化学特征，并通过星际云研究原行星盘和恒星形成过程。

为什么詹姆斯·韦伯需要低温环境

与主要在可见光和紫外波段观测的哈勃不同，詹姆斯·韦伯是一台红外望远镜。这意味着它被设计用于探测约0.6至28微米之间的波长，远超人类肉眼可见范围。在这些波长下，任何温暖物体都会发出自身红外辐射，包括望远镜本身。为避免被自身热量干扰，韦伯太空望远镜必须在极低温环境中运行。

这一需求催生了前所未有的被动低温系统设计。一个网球场大小的五层遮阳罩，可阻挡来自太阳、地球和月球的光线。该热防护罩逐步降低望远镜温度，在仪器侧达到约50开尔文（-223°C）。对于工作波段在5至28微米的中红外仪器（MIRI），机械低温冷却器进一步将温度降至6.7开尔文。

这种极端冷却使詹姆斯·韦伯太空望远镜能够探测到宇宙中最冷、最遥远天体（如原初星系、原行星盘和系外行星大气层）发出的红外光子。如果没有这种高精度低温技术，这些信号将湮没在望远镜自身的热噪声中。

首批成果：宇宙学与系外行星

自首次观测以来，詹姆斯·韦伯望远镜已揭示出高红移星系（\( z > 10 \)），对星系形成模型提出了挑战。它还实现了对热系外行星大气中水、二氧化碳或甲烷等分子的光谱探测，开启了天体生物学的新纪元。通过揭示极早期宇宙的大尺度结构，詹姆斯·韦伯太空望远镜如同一台时间机器，让我们得以回溯光开始自由传播的时期。

红移 \( z > 10 \)：观测宇宙的婴儿时期

红移（\( z \)）是衡量宇宙膨胀导致光波长拉伸的指标。物体距离越远，其光线向红色（更长波长）方向拉伸的程度越大。对于红移为 \( z \) 的物体，观测波长 \( \lambda_{\text{obs}} \) 与发射波长 \( \lambda_{\text{em}} \) 的关系为：

\[ \lambda_{\text{观测}} = (1 + z) \cdot \lambda_{\text{发射}} \]

詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示的创生之柱

詹姆斯·韦伯空间望远镜光学能力的标志性例证之一，便是鹰状星云中“创生之柱”的新图像。左侧是2014年哈勃望远镜在可见光下拍摄的图像，展示了冷气体与尘埃构成的柱状结构——这一著名的恒星形成剪影。右侧则是2022年韦伯望远镜通过近红外（NIRCam仪器）拍摄的图像，呈现了截然不同的景象：红外辐射穿透尘埃，揭示了数百颗此前不可见的、正处于形成过程中的红色恒星。韦伯望远镜卓越的角分辨率结合其红外灵敏度，使我们得以深入这些致密分子云内部，以前所未有的精度追踪恒星诞生的过程。