科普园地 | 睁开看向宇宙起源的眼睛

背景

詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）是目前为止世界上首屈一指的空间科学观测站，它是由美国国家航空航天局（NASA）牵头，与欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）等单位携手完成的国际项目。韦布望远镜将为我们揭开太阳系的神秘面纱，了解其他星系周围的遥远世界，并为我们探索宇宙的结构和起源，帮助我们能够审视自己所处的位置。 

图1

2021年12月25日，韦布空间望远镜于法属圭亚那的库鲁发射基地由Ariane5火箭发射带入宇宙。而这相较于最初预计的2007年的发射时间，足足推迟了14年，预计的经费也从最初的10亿美金增加到了100亿美金，参与者也从最初的几家机构的人员扩充到后续300多所大学、研究机构以及相关公司的数千名工程师和数百名科学家共同完成[1]。

韦布望远镜属于空间望远镜（Space telescope）。空间望远镜（或称为空间观测站）是一类在外太空工作的望远镜，主要用于观测天体。最早在1946年时，美国的Lyman Spitzer提出了把望远镜放到外太空以避开大气层的干扰去直接观测天体的构想[2]。世界上最早的可操作空间望远镜是由美国于1966-1972年发射的轨道天文台（OAO）以及苏联于1971年发射的Orion 1紫外望远镜。空间望远镜能够避免观测到的电磁辐射的过滤和失真，并且相较于地基望远镜，能够避免观测所遇到的光污染问题。

然而，最为大家所熟知的空间望远镜应该是哈勃望远镜（Hubble Space Telescope）。哈勃望远镜是由美国航空航天局于1990年在肯尼迪航天发射中心所发射的空间望远镜，哈勃望远镜在数十年间带来了成千上万张星空照片，帮助了科学家更深入了解宇宙历史。而韦布望远镜就是作为哈勃望远镜的中红外及可见光波段的继任探索器而被发射到外太空的[3]。 

为什么JWST长得像一块蜂窝蛋糕？

从1990年最初立项时讨论的方案以来，韦布望远镜的设计结构也经历了许多个版本的变化，最终的设计方案采用了拼接镜的形式，也就是我们所看到图片中的一块飞船载着一块“蜂窝蛋糕”形状，主要的结构如图所示：

图2 JWST最终设计方案

在最终的设计结果中，JWST采用了主镜和次镜以及三级镜结合的设计。JWST的主镜由18个镀金铍六角拼接镜拼接而成，其主镜口径达到6.5m，相较而言，哈勃望远镜的主镜口径仅为2.4m。具有如此口径的JWST，其集光面积达到了25平米，大约是哈勃望远镜的6倍。JWST的次镜通过三个支撑架支撑，位于主镜的正前方，三级镜位于尾部光学子系统内。这样的结构解决了大口径望远镜难以运送上天的难题。JWST在最初是将所有的模块都折叠在一起，通过火箭运载进入太空后再逐渐展开部署，就像是一个折叠自行车一样，在进入工作状态前被折叠到一个很小体积，当到达指定位置时再在太空中变换成所需的形态。JWST的展开过程如图所示：

图3 JWST运载及展开过程

JWST在太空中逐渐展开的过程正如同人类在向宇宙睁开我们的眼睛，凝视着数亿年来的变迁。

虽然是由18个拼接镜拼接而成，但是JWST工作时要求主镜作为一个整体单一的高精度光学表面一起工作，子镜被分为A、B、C三个部分，并且每一块都有自己的编号。

 图4 JWST主镜各拼接镜对应编号

当主镜展开后，科学家需要根据图像传回情况对其进行调节，调节步骤包括：分区图像识别、区域对准、图像层叠、粗相位校准、精细相位校准、仪器视场上的望远镜对准、迭代对齐以进行最终校正。这一切都是基于JWST采用拼接镜面的结构，并且每一块子镜都可以进行倾斜、移动调整，通过对每个子镜进行控制，使得整个光学系统能够获得高精度、准确的图像，以进行后续进一步科研分析。

图5 通过调整A1子镜倾斜度以校准图像

总而言之，这样的结构及变形策略使得JWST能够拥有更大的口径的同时，减小了送入外太空的运载难度，并且通过子镜直接的配合能够获得高精度高性能的光学镜面，在调试及维护方面都有巨大的优势。

JWST为什么长的不像我们所熟知的望远镜？

我们平时生活中所接触到的望远镜通常采用的是开普勒或是伽利略结构的折射式望远镜。

图6 开普勒望远镜原理图

开普勒望远镜使用一个凸透镜作为目镜，一个凸镜作为物镜，这样设计的望远镜从目镜射出的光线是汇聚的，可以有较大的视野和更大的适眼距，但是看见的影像是倒转的，通常还会加入棱镜对其进行转像。这种设计可以达到更高的倍率，但需要很高的焦比才能克服单纯由物镜造成的畸变[4]。这样的望远镜对于日常生活的应用场景绰绰有余，但是在天文观测上还会受到一些局限，例如为了达到所需的性能，需要极大的体积和大量镜片的镜组，导致系统重量很大，并且折射式天然存在的像差问题难以解决。

因此，还有一些我们平时可能了解较少的望远镜结构常应用在天文学中，比如卡塞格林结构。

图7 卡塞格林望远镜结构

卡塞格林望远镜是反射式望远镜结构，通过主镜次镜的组合将光线反射并穿过主镜中心的孔洞。而根据2006年科学家发表的关于JWST的设计报告中可看出，JWST采用的就是卡塞格林式的离轴结构。

图8 JWST光学原理图

JWST的光学结构的设计出发点是能够为ISIM（Integrated Science Instrument Module集成科学模组）提供校正好的图像。反射式结构能够避免折射式结构带来的色差，并且能够适用在宽光谱波段中，并且JWST的结构配置使得其能够在大视场（Field of view, FOV）范围内提供出色的图像质量，同时还能够容纳所需的科学仪器和导向器[5]。

图9 JWST光学模组结构图

JWST的整个光学结构由这些部分组成：

l 由18个六角拼接镜组成的6.5m口径主镜

l 0.84m口径圆形次镜

l 三级反射镜和精细转向反射镜，两者都包含在尾部光学子系统内

l 望远镜结构（包括主镜背板组件、主背板支撑夹具、次镜支撑结构和可展开塔架阵列）

l 热管理子系统

l 尾部可展开ISIM散热器

l 波前传感和控制器

最终，采用这种结构的JWST的光学指标为：F/20，焦距为131.4m。其主镜面采取了铍这种材料是因为其较轻且在30-80K的范围内具有很好的温度适应稳定性。在镜面镀金以针对0.6-28um波段提供高反射率。

为什么选择观测红外波段？

设想一下这样的情况，一束光在接近136亿年前离开第一批恒星和星系，穿越时空到大我们的望远镜，那么我们基本上看到的就是136亿年前光第一次离开这些物体时的样子，而当这束光被我们观测到的时候，它的颜色或波长已经向红色区域移动，这种现象被称为“红移（Redshift）”。红移是指电磁辐射（如光）的波长增加，频率和光子能量相应降低。与之相反的变化，即波长减少，频率和能量同时增加，称为负红移或蓝移。这些术语来源于红色和蓝色，它们构成了可见光光谱的两端，可见光波段一般认为是380-780nm，波长最长的是红色光，波长最短的是紫色光。

 图10 可见光光谱

在我们讨论非常遥远的物体这种特殊情况下，爱因斯坦的广义相对论发挥了作用。它告诉我们，宇宙的膨胀意味着物体之间的空间实际上是伸展的，导致物体（星系）彼此远离。此外，该空间中的任何光也会拉伸，将该光的波长移动到更长的波长。这会使遥远的物体在可见光波长下非常暗淡（或不可见），因为这些光最终会由于红移现象由原先的波段移至红外光的波段来到我们身边[6]。

图11 红移现象

 图12 电磁频谱特性

红移现象意味着，这些第一批恒星和星系发出的可见光或紫外光，在我们此时此地看到时，实际上会转移到更红的波长。对于非常强烈的的红移现象（即离我们最远的物体），可见光通常会转移到电磁光谱的近红外和中红外部分。因此，要想看到第一批恒星和星系，我们需要一个强大的近红外和中红外望远镜，这就是为什么JWST选择对这一波段进行观测。

JWST如何通过观测红外波段进行工作？

JWST的工作与光谱学原理应用密切相关。光谱学是测量和解释电磁辐射与物质相互作用产生的电磁光谱的一般研究领域，电磁辐射是辐射波长或频率的函数。光谱学，主要是电磁光谱，是天文学、化学、材料科学和物理学领域的一种基本探索工具。在天文领域，光谱是解开系外行星大气组成的关键。当一颗行星从恒星面前经过时，其星光会穿过行星的大气层，如果此时经过的行星的大气层成分中含有钠，那么恒星的光谱加上行星的光谱中，预期会看到钠的位置会出现一个“吸收线”。这是因为不同的元素和分子会以其特征能量对光子进行吸收。

图13 光谱测出Hot Jupiter星系某行星大气中存在钠

系外行星大气中的分子在红外波长下具有最多的光谱特征，因此采用红外望远镜对其进行表征能够获得更多信息，也许能够帮助人类寻找到与地球具有相同大气结构的天体，对于宇宙中生命及宜居地的探索有重要的帮助。

此外，JWST还有许多对于太阳系内的观测任务。来自光谱内不同波长和不同来源的数据可以帮助我们更全面深入的了解太阳系中的物体，得益于JWST大口径带来的高分辨率和灵敏度，其将观察火星、冥王星甚至一些太阳系中的小天体、小行星。许多地球地面观测站无法观测的一些天体光谱的特征，JWST都可以对其进行观测，能够帮助我们更好的了解它们。

为什么我们要观测宇宙，宇宙的第一束光是什么？

浩瀚宇宙中的星系为我们呈现了在大的维度下物质是如何组织的。科学家们通过理解目前这种组织的逻辑以及其在宇宙时间尺度下的变化奥秘以探索宇宙的性质和历史。从观察亚原子粒子水平上物质的构造方式到跨越宇宙的星系以及暗物质的巨大结构，每一个尺度都为我们提供了宇宙构建的奥秘和演化的逻辑。

图14 巨型椭圆星系M87

科学家们认为，宇宙一切的起源都是一场大爆炸，而在大爆炸之后，宇宙就像是一锅混有各种粒子的沸水，当这锅沸水逐渐开始冷却时，质子和中子开始结合成电离的氢原子，并最终变为氦原子。这些离子化的氢原子和氦原子会吸引电子，将它们转化成中性原子，而当电子受到影响产生能级跃迁时，就会辐射出光子。当大量的这种变化发生时，大量的光子产生，光就开始自由的传播，这一现象的产生也许需要数亿年。而人类想要观测宇宙的第一束光，来了解宇宙的起源是什么样子的，以及产生第一束光的恒星是什么样子的，是什么时候形成的。

JWST现在怎样了？

截至2022年7月12日，JWST已经进入L2轨道，完成部署及调试，正式进入科学运营状态，并为我们传回了第一批所拍摄到的照片。

图15 JWST拍摄的Carina Nebula星云

图16 JWST拍摄的星系演化

我国的空间望远镜项目

我国作为航天强国和科研大国，也肩负着探索宇宙的责任。中国国家航天局（CNSA）与中国科学院（CAS）及法国航天局（CNES）携手合作启动了空间天文卫星天基多波段空间变源监视器的研制（Space Variable Objects Monitor, SVOM），预计将在2023年中旬发射投入使用。

大质量的恒星在爆炸时会导致伽马射线爆发，SVOM通过分析爆炸所产生的伽马射线暴（gamma-ray bursts, GRBs）来研究其爆炸过程。为服务于这一研究内容，SVOM需要提供快速可靠的伽马射线暴的方位，测量伽马射线暴瞬发发射的宽带光谱形状和时间特性，并快速识别检测到伽马射线暴的光学、近红外余辉，包括高红移余辉[7]。

图17 SVOM预期外形及有效载荷

总结

JWST毫无疑问是目前人类天文学历史上科学技术及工程技术领域的巅峰之作。这个耗时数十年、耗资数百亿以及无数科学家及工作人员的呕心沥血的巨作现在正在睁开它的眼睛为我们探索宇宙的奥秘，它也承载着无数科学家和天文爱好者对真理和浪漫的追求，我们期待它终将捕获那隐藏在无数天体之间的宇宙形成所发出的第一束光，带我们回到136亿年前，为我们揭开宇宙诞生的奥秘以及宇宙运行的内在逻辑。

参考文献

[1] "NASA JWST "Who are the partners in the Webb project?"". NASA. Archived from the original on 29 November 2011. Retrieved 18 November 2011

[2] "Hubble Essentials: About Lyman Spitzer Jr". Hubble Site.

[3] "NASA Announces New James Webb Space Telescope Target Launch Date". NASA. 16 July 2020.

[4] Raymond A. Serway. Physics for Scientists and Engineers, Refractors were the earliest type of optical telescope. 2015.

[5] Gardner, J. P. et al. The James Webb Space Telescope. Space Sci.2006,123:485

[6] Edward Robert. The distinction is made clear in Harrison, (2000). Cosmology: The Science of the Universe (2nd ed.). Cambridge University Press. 306ff. ISBN 978-0-521-66148-5.

[7] Jacques Paul, Jianyan Wei, et al. The Chinese–French SVOM mission for gamma-ray burst studies. Comptes Rendus Physique, 2011, 12(3): 298-308.

图片来源于NASA官网公开图片、wiki百科、JWST用户文档等公开资料

供稿： 科研中心 张穗