◎記者 吳純新 通訊員 高 翔
科學家給了它一雙“大眼睛”，它決心去往遙遠的地方，探知浩渺宇宙的微妙波動。
2021年12月25日，迄今爲止體積最大的空間望遠鏡——詹姆斯·韋布空間望遠鏡（以下簡稱韋布望遠鏡）升空，將於不久後到達距離地球150萬公裏的第二拉格朗日點。
苛刻工藝致使發射推遲14年
“韋布望遠鏡之大，不僅是體積大，更是功能集大成者。”華中科技大學天文學系副教授張華年說，該望遠鏡的主鏡直徑達6.5米，有效面積25.4平方米，由18塊邊長約0.75米，面積約1.4平方米的正六邊形小鏡面拼接而成，重約6.5噸，副鏡則爲直徑約0.74米的圓形鏡面。
爲阻止外來熱量及儀器自身產生的熱量所造成的紅外线污染，天文學家給韋布望遠鏡裝上了5層“遮陽傘”，每層長約21.197米、寬約14.162米，大小如網球場，厚度近乎頭發絲。
同時，爲提高鏡面反射能力，工程師在主鏡上鍍了一層厚度僅爲頭發絲十分之一的“土豪金”。
韋布望遠鏡空間分辨率達到0.1角秒，工作波長範圍位於近紅外和中紅外波段（0.6—28.5微米），設計服務年限5—10年。
張華年介紹，受運載火箭大小限制，韋布望遠鏡必須折疊起來才能塞進火箭，在航行中一步一步慢慢展开，這對加工工藝要求幾近苛刻，導致望遠鏡發射推遲14年之久，最終預算超過100億美元。
他表示，韋布望遠鏡主要由4個探測儀器構成，即近紅外照相機、近紅外光譜儀、中紅外設備、近紅外成像器與無縫光譜儀。
其中，近紅外照相機和中紅外設備主要由美國亞利桑那大學領導設計。
此前在該校讀博的張華年，曾與領導設計這兩個儀器的教授，對儀器的設計和工作流程進行過交流。他表示，近紅外照相機可以幫助韋布望遠鏡完成最重要的探索任務，再由可同時觀測100個物體的近紅外光譜儀來認證近紅外照相機拍攝到的“奇異”天體；中紅外設備則集合中紅外相機與中紅外光譜儀於一體，無縫光譜儀能極大提高望遠鏡對多天體的探測效率。
探尋宇宙大爆炸後“第一縷光”
張華年直言，籌備近30年，等待14年之久的韋布望遠鏡，其科學目標極其宏大。韋布望遠鏡志在尋找宇宙大爆炸後“第一縷光”，即第一代星系、恆星或亮物體。
若韋布望遠鏡探測到第一代星系，結合其他望遠鏡對宇宙不同時期各類星系的觀測，天文學家就能研究星系是如何一步一步成長的，從而描繪出星系演化的完整圖景。
同時，韋布望遠鏡也可探測一些正在形成的恆星系統。在活躍的恆星系統中，其外圍會先形成氣體與塵埃構成的冷盤，冷盤內正在形成類似地球與木星的行星，它們發出的輻射集中在紅外區域，但極其微弱。由於韋布望遠鏡所在的空間背景“噪聲”極低，加上相比哈勃望遠鏡更大的口徑，可以展示更多冷盤細節，揭露恆星形成的“真實面貌”。這對研究恆星形成、恆星原初質量函數等具有劃時代意義。
此外，韋布望遠鏡還可以測量太陽系及系外行星的物理和化學參數。對一些特殊恆星系統來說，如其中某些行星遮住了母恆星，韋布望遠鏡就可捕獲母恆星被行星大氣折射的星光，據此分析行星大氣的化學成分和物理參數，甚至確定行星上是否存在液態水，是否適合生物生存，爲人類尋找外來文明提供更多可能性。
各望遠鏡波長不同功能迥異
使命不凡，战友同在。仰望星空，還有一些“大眼睛”正在緊張工作，試圖“看”得更遠、“看”得更清。
張華年介紹，空間望遠鏡靠收集宇宙光线進行探測，而光是一種電磁波，探測不同波長的光對望遠鏡加工工藝和技術細節的需求完全不同。所以星空中才會有那么多不同類型的望遠鏡，代替我們去“看一看”這個宇宙。
哈勃望遠鏡於1990年升空，位於近地軌道約500公裏處。其主鏡爲2.4米的單一鏡面，有效面積遠小於韋布望遠鏡，但重量卻約爲韋布望遠鏡的兩倍，且波長覆蓋範圍正好與韋布望遠鏡互補。
“與其說韋布望遠鏡是哈勃望遠鏡的繼任者，不如說是相輔相成的合作者。”張華年說。
於1999年升空的錢德勒X光望遠鏡，和哈勃望遠鏡一樣，被美國國家航空航天局（NASA）選爲“旗艦機”。錢德勒X光望遠鏡相比韋布望遠鏡，堪稱超級“迷你”版，外圍僅1.2米，有效收光面積只有0.04平方米，重量卻有近5噸，和韋布望遠鏡不相上下。其工作軌道爲橢圓軌道，近地點高度約1.4萬公裏，遠地點高度約13萬公裏。
與錢德勒X光望遠鏡較接近的另一架望遠鏡是蓋雷斯望遠鏡，也是一款“迷你”望遠鏡，直徑0.5米，工作波段在紫外线區域，位於距地球700公裏左右的軌道。
張華年說，盡管錢德勒X光望遠鏡超級“迷你”，取得的成果卻不落下風：第一次觀測並描繪超新星爆發的遺跡、第一次用X光探測到銀河系中心超大質量黑洞的發射线、首次在伽馬暴事件GRB 991216中發現X光發射等，都是該望遠鏡的“傑作”。
同時，耗資近8億美元的斯皮策望遠鏡於2003年升空，主鏡0.85米，仍然非常“迷你”，設計工作波段在紅外區域。斯皮策望遠鏡是第一架圍繞太陽運轉而非圍繞地球運轉的望遠鏡，其軌道和地球差不多。
張華年介紹，斯皮策望遠鏡遠離地球運行在太陽軌道，可最大程度降低來自地球的紅外輻射，並擁有天然的低溫環境。但在2009年，其用作冷卻液的液氦消耗殆盡，遠紅外觀測終止，進入“溫觀測”階段，工作溫度達到零下243攝氏度。
不過，韋布、哈勃、錢德勒、斯皮策等望遠鏡都是通用“點源”望遠鏡，即對宇宙中某個點進行深度曝光和光譜成像。
伴隨大數據時代到來，未來空間望遠鏡更多的是巡天望遠鏡，即“面源”望遠鏡，這些望遠鏡可以長時間、大視場對宇宙不同天區進行曝光，收集海量數據。
在張華年看來，“點源”和“面源”望遠鏡好比攝影的兩個不同場景，“點源”類似棚拍，攝影師對着事先選好的目標模特進行拍攝，而“面源”如同街拍，攝影師在街上對着人群進行大量拍攝，後期再挑選感興趣的目標。
目前，國際上即將投入使用的巡天望遠鏡是美國的羅曼空間望遠鏡和歐洲的歐幾裏得空間望遠鏡。
張華年介紹，我國研制的中國空間站望遠鏡口徑爲2米，工作波段在0.3—1微米。其視場是哈勃的300倍，服役期間其觀測範圍可以覆蓋三分之一天區。高精度、大視場成像巡天，配合3通道無縫光譜巡天，中國空間站望遠鏡將爲未來宇宙學、星系形成與演化、暗物質暗能量、系外行星尋找等方面的研究提供幫助。
標題：韋布和它的太空“战友”們
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