美国国家航空航天局刚刚发射了一台创纪录的太空望远镜，原因如下

• 詹姆斯·韦伯太空望远镜将助力天文学家寻找宇宙中最早形成的星系，这一目标有望实现。

• 为了看清宇宙深处，望远镜配备了一面非常大的反射镜，并且必须保持极低温。

• 这是有史以来制造的功能最强大的太空望远镜，其工作原理有点像卫星天线，天文学家玛西亚·里克（Marcia Rieke）解释说。

詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年12月25日发射升空，天文学家希望借助它找到宇宙中最早形成的星系，搜寻其他行星上类地大气，并实现许多其他科学目标。

我是一名天文学家，同时也是近红外相机的首席研究员（简称NIRCam），该相机搭载于韦伯望远镜上。无论是我的相机还是整台望远镜，我都参与了其研发和测试工作。

为了看清宇宙深处，望远镜配备了一面非常大的反射镜，并且必须保持极低温。但要把这样一件脆弱的设备送入太空绝非易事。为了设计、测试、即将发射并校准这台有史以来功能最强大的太空望远镜，我和同事们必须克服许多挑战。

为了探测最遥远、最古老的星系，望远镜必须足够庞大，并保持极低温。Image: 美国国家航空航天局/Chris Gunn

年轻的星系与外星大气

韦伯望远镜拥有一面直径超过20英尺的反射镜、一块网球场大小的遮阳板，用于阻挡太阳辐射，以及四套独立的相机和传感器系统，用于收集数据。

其工作原理有点像卫星天线。来自恒星或星系的光将进入望远镜的口径，并经主镜反射至四个传感器：NIRCam，用于拍摄近红外图像；近红外光谱仪，可将来自选定光源的光分解为各组成颜色，并测量每种颜色的强度；中红外仪器，用于拍摄中红外图像并测量中红外波长；以及近红外无缝隙光谱成像仪，用于分解并测量科学家将卫星对准的任何目标的光线。

这一设计将使科学家能够研究银河系中恒星的形成过程以及太阳系外行星的大气层。甚至有可能推断出这些大气层的成分。

自埃德温·哈勃证明遥远的星系与银河系并无二致以来，天文学家一直在追问：最古老的星系有多老？它们最初是如何形成的？又是如何随时间演化的？韦伯望远镜最初被冠以“第一束光机器”的称号，因为它正是为回答这些问题而设计的。“第一束光机器”。

望远镜的主要目标之一，是研究可观测宇宙边缘附近的遥远星系。这些星系的光需要数十亿年才能穿越宇宙抵达地球。据我估计，我和同事们借助NIRCam拍摄的图像可能会显示出在大爆炸后仅3亿年、即其当前年龄的2%时形成的原始星系。

要找到大爆炸后形成的最早恒星集合，任务十分艰巨，原因很简单：这些原始星系距离我们非常遥远，因此看起来极其黯淡。

韦伯望远镜的反射镜由18块独立的镜片组成，其集光能力可超过哈勃太空望远镜反射镜集光量的六倍以上。遥远天体在天空中的视尺寸也非常小，因此望远镜必须能够尽可能精确地聚焦光线。

望远镜还必须应对另一项复杂问题：由于宇宙正在膨胀，韦伯望远镜所要研究的星系正在远离地球，多普勒效应由此产生作用。正如救护车的警笛在经过并开始远离你时音调会降低、变得更低沉一样，来自遥远星系的光的波长会从可见光向红外光方向偏移。

金色反射镜下方的五层银色材料构成遮阳板，用于反射光线和热量，使传感器保持极低温。Image: 美国国家航空航天局/Chris Gunn

韦伯望远镜探测的是红外光，本质上是一台巨大的热成像望远镜。要在红外光中“看到”暗弱的星系，望远镜必须保持极低温，否则它看到的只会是自身的红外辐射。这正是遮热板的作用所在。遮热板由镀铝的薄塑料膜制成，共五层厚，尺寸为46.5英尺（17.2米）乘69.5英尺（21.2米），并将使反射镜和传感器保持在零下390华氏度（零下234摄氏度）。

韦伯望远镜是工程领域的一项杰出成就，但该如何将这样的庞然大物安全送入太空，并保证它能够正常工作呢？

工程师和科学家在一个极寒、低压的低温真空舱中对整台望远镜进行了测试。Image: 美国国家航空航天局/Chris Gunn

测试与演练

詹姆斯·韦伯太空望远镜将绕行于距离地球一百万英里的轨道上，这一距离约为国际空间站距离的4500倍，远到宇航员无法对其进行维修。

在过去12年里，团队对望远镜及其仪器进行了测试，模拟火箭发射时的震动并再次测试。所有部件都在轨道上的极端运行条件下进行了冷却和测试。我永远不会忘记，我的团队在休斯顿用一个原为阿波罗月球车设计的舱室测试NIRCam的那一刻。那是我的相机首次探测到经望远镜反射镜反射的光，尽管飓风哈维正在外面与我们抗争，我们仍然欣喜万分。

在太空望远镜科学研究所进行的演练与培训，对于确保组装过程顺利进行、并能够应对任何意外异常情况至关重要。Image: 美国国家航空航天局/Chris Gunn

测试之后是演练。望远镜将通过无线电链路发送的指令进行远程控制。但由于望远镜距离非常遥远，信号单程传输需要六秒，因此无法实现实时控制。为此，过去三年里，我的团队和我一直前往位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，在模拟器上进行演练任务，涵盖从发射到日常科学运行的全过程。团队甚至练习了应对测试组织者抛给我们的潜在问题，他们戏称之为“异常情况”。

为了装入火箭，望远镜需要折叠成紧凑的形态。Image: 美国国家航空航天局/Chris Gunn

仍需校准

韦伯团队在发射日期前持续进行演练和练习，但我们的工作目前远未完成。

发射后，我们需要等待35天，待部件冷却后才能开始校准。反射镜展开后，NIRCam将连续拍摄各个镜片的高分辨率图像。望远镜团队将分析这些图像，并指令电机以十亿分之一米为单位的步长调整各镜片。电机将反射镜移至指定位置后，我们将确认望远镜校准完全精准。这项任务至关重要，因此望远镜上搭载了两台完全相同的NIRCam，若其中一台出现故障，另一台可接替校准工作。

此次校准与检查流程预计需要六个月。完成后，韦伯望远镜将开始收集数据。经过20年的努力，天文学家终将拥有一台能够窥探宇宙最遥远、最深邃区域的望远镜。