“鴿王”詹姆斯 韋伯太空望遠鏡又鴿了！

　　NASA給出的最新消息是，韋伯將于12月25日發(fā)射。希望這次它做好了發(fā)射準(zhǔn)備。

　　詹姆斯 韋伯太空望遠鏡最早定于2007年投入使用，但是多年來，開發(fā)挑戰(zhàn)和成本超支導(dǎo)致望遠鏡計劃一再拖延，研發(fā)受到阻礙，發(fā)射計劃也是不斷推遲。

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　　發(fā)射成功后，詹姆斯 韋伯太空望遠鏡將成為繼哈勃之后，人類最強大的太空望遠鏡。作為繼任者，韋伯太空望遠鏡有哪些變化和超越？

　　庫房中的詹姆斯?韋伯太空望遠鏡（圖片來源：NASA）

體重更輕，但技能更多，核心任務(wù)升級

　　根據(jù)報道，詹姆斯 韋伯太空望遠鏡的質(zhì)量為6.2噸，約為哈勃太空望遠鏡（11噸）的一半。

　　但詹姆斯 韋伯太空望遠鏡的主反射鏡由鈹制成，口徑達到6.5米，面積更是哈勃太空望遠鏡的5倍以上。

　　哈勃太空望遠鏡主要觀察光學(xué)和紫外線波長，而詹姆斯 韋伯太空望遠鏡能在近紅外波段工作。同時，韋伯太空望遠鏡對環(huán)境的適應(yīng)更強，能在接近絕對零度（零下273.15攝氏度）的環(huán)境中運行。

　　大名鼎鼎的哈勃太空望遠鏡（圖片來源：NASA）

　　多年來，哈勃太空望遠鏡取得了非常多的成就，作為繼任者，詹姆斯 韋伯望遠鏡為什么不繼續(xù)觀測光學(xué)和紫外線波長，而是主攻紅外線的天文觀測呢？

　　這與天文學(xué)家對詹姆斯 韋伯望遠鏡的期望有關(guān)。

　　詹姆斯 韋伯太空望遠鏡的核心任務(wù)是觀察宇宙微波背景輻射，即宇宙大爆殘余紅外線，尋找大爆炸理論的證據(jù)，也就是觀測今天可見宇宙的初期狀態(tài)。這就要求詹姆斯?韋伯望遠鏡要比哈勃看得更遠、更早。

　　宇宙大爆炸（圖片來源：NASA）

　　而太空中的許多物體在可見光或紫外線下都很暗淡或不可見，但在紅外線下卻能很好地顯示出來。

　　這與紅外線本身特性有關(guān)。

　　紅外線（Infrared，IR）是一種“光”，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f是一種電磁波。它的頻率高于微波爐的微波，但比人眼能看到的可見光要低。紅外線在電磁波譜中頻率為0.3THz～400THz，對應(yīng)真空中波長為1mm～750nm輻射的總稱。

　　之所以叫“紅外”，是因為眼睛看到的紅色光、藍色光是頻率越低顏色越紅，紅外線的頻率比紅光還低。

　　電磁波譜（圖片來源：合肥晚報）

　　雖然肉眼無法看到，但紅外線存在很廣。物體內(nèi)部分子的熱運動能產(chǎn)生紅外輻射，自然界中的一切物體，無論是北極冰川，還是火焰、人體，甚至極寒冷的宇宙深空，只要它們的溫度高于絕對零度-273.15攝氏度，都會有紅外輻射。

　　紅外輻射的能量以及頻率與自身溫度正相關(guān)。我們在電影、電視里看到士兵佩戴紅外線夜視儀就能看清楚目標(biāo)，利用到的是紅外成像技術(shù)。原理是根據(jù)探測到的物體的輻射能量的高低，經(jīng)系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)物體的熱圖像，以灰度級或偽彩色顯示出來，即得到被測目標(biāo)的溫度分布，好比藍色背景下的紅色人影，從而判斷物體所處的狀態(tài)。

　　在這次新冠疫情防控中，這一測溫方法也得到了廣泛應(yīng)用。

　　疫情防控中的紅外線熱成像應(yīng)用（圖片來源：央視截圖）

　　行星能發(fā)出紅外線，且這些紅外線可以被它大氣層中的化學(xué)元素更改，而科學(xué)家分析得到的化學(xué)元素組成則可能象征著外星生命的存在。

　　韋伯望遠鏡會使用專門的設(shè)備阻擋距離遙遠的星球的光，從而捕捉到繞恒星運行的任何物體的圖像，比如太陽系之外的行星——遙遠太空中那些類似地球的不發(fā)光天體。

　　另外，韋伯望遠鏡可以捕捉到溫度更低的天體，例如因距離太陽較遠、承受陽光較少，溫度低到零下一兩百攝氏度的柯伊伯帶和奧爾特云，起源于這兩個區(qū)域、以冰雪為核心的彗星，還有新生恒星在形成自己星系過程中產(chǎn)生的龐大原行星盤，以及分子云等等，它們都是距離恒星遠、自身溫度低的天體，但它們所發(fā)出的微弱紅外射線仍然可以被靈敏的韋伯望遠鏡觀測。

尋找大爆炸理論的證據(jù)，為什么韋伯望遠鏡最合適？

　　在前面的介紹中，我們提到韋伯望遠鏡可以通過觀測宇宙大爆殘余紅外線的方式，查找宇宙初期狀態(tài)。

　　不過地球上也有紅外觀測望遠鏡，為什么要用韋伯望遠鏡呢？

　　這與天文觀測兩個問題有關(guān)：光吸收和光污染。

　　首先，地球大氣層吸收了大量的紅外光，特別是水汽、二氧化碳等，這將影響對來自遙遠宇宙的紅外輻射的觀測，使光譜學(xué)和遙遠星系中的元素識別變得非常困難。

　　其次,地面附近的紅外光污染非常強，不僅地球本身紅外輻射非常強，地面的各種事物——人、房屋、望遠鏡等都有紅外輻射，這對于精細的天文觀測影響是很大的。

　　因此，地球大氣對天文方面的紅外線觀測僅有7個狹窄的“窗口”，也就是說只有7個特別的紅外線波段。

　　為了盡量克服困難，地面的紅外望遠鏡常置于高山區(qū)域。世界上較好的地面紅外望遠鏡大多集中安裝在太平洋美國夏威夷的莫納克亞，這里海拔4200多米，人跡罕至，是世界紅外天文的研究中心。

　　1991年建成的凱克望遠鏡可能是最大的地面紅外望遠鏡，它位于夏威夷島的莫納克亞山上，口徑為10米，可兼作光學(xué)、紅外兩用。

　　凱克望遠鏡（圖片來源：NASA）

　　因此，要獲得宇宙中更多的紅外波段信息，就必須“打天上的主意”。最初，是科學(xué)家用高空氣球裝紅外線探測器，后來發(fā)展到飛機運載紅外望遠鏡或探測器進行高空觀測。

　　1983年1月23日，美英荷聯(lián)合發(fā)射了第一顆紅外天文衛(wèi)星IRAS。而今，詹姆斯 韋伯太空望遠鏡即將發(fā)射，又將進一步拓展這方面的能力。

　　詹姆斯 韋伯太空望遠鏡身在距離地面150萬公里的太空中，遠在地球稠密大氣的范圍之外，既不會被大氣遮蔽宇宙中天體的紅外輻射，也不容易被地球和地面物體的紅外輻射污染。

　　并且，它始終位于日地連線的地球背面，可以通過地球遮擋來自太陽的輻射。它還附帶了可折疊的遮光板，以屏蔽會成為干擾的光源。

　　以上種種，將幫助這枚太空望遠鏡成為地球人的“紅外之眼”。就讓我們一同期待它在未來大放異彩吧。