韦伯太空望远镜能做什么？为什么会刷新我们对宇宙的认识？
古语云：十年磨一剑，这韦伯太空望远镜都磨叽了十几年了，全世界的天文爱好者和科学爱好者望穿秋水望眼欲穿，久经跳票的詹姆斯·韦伯太空望远镜在2021年圣诞节成功发射升空，奔赴150万公里外的日地第2拉格朗日点（L2）。
史上最强太空望远镜
总耗资近百亿的韦伯太空望远镜，是人类制造过的最强光学望远镜，主镜直径6.5米，由18片正六边形可调镜片组成，由支架架起固定在主镜前方的次镜半径0.74米。根据官方介绍，韦伯的观测能力是哈勃太空望远镜的100倍。
由于镜面直径过大，远超任何火箭的舱体大小，因此镜片采用可折叠式设计，在箭体分离后再展开。整个展开的过程都充满挑战，300多个步骤任何一个出现差错，整个计划都GAMEOVER（游戏结束）……因此韦伯虽然发射成功，但这仅仅是万里长征的第一步。
韦伯太空望远镜为何选择红外波段？
与哈勃太空望远镜主要用于可见光观测不同，韦伯太空望远镜是一个红外光学望远镜，所有观测波段都处在红外波段，并且工作频段比哈勃宽得多。（下图中间为韦伯太空望远镜）图源NASA & A. Feild (STScI)
那么为什么要选择这样一个观测波段？这里主要有两方面原因：
一方面，相对于可见光，红外线的穿透能力更强，能穿透空间里的细微气体尘埃云，从而看到躲藏在尘埃云背后原本看不到的天体。比如下面这张哈勃拍摄的NGC 2174星云图像（没错，就是我的头像这个星云^_^），左边为可见光拍摄，右边为升级后用红外摄像机拍摄，仅仅如上图那一点点红外波段就拍摄到了大量原本没有的星星。
另一方面，随着宇宙膨胀，宇宙最早期形成的恒星和星系所发的光已经红移到红外波段了，仅有小频段红外观测能力的哈勃已经无能为力，韦伯正是要探寻这批最早形成的星系。拥有从近红外到中红外大部分红外光频段观测能力的韦伯太空望远镜将大大扩展我们对早期宇宙的观测范围，理论上能捕获宇宙大爆炸后第一批恒星所发出的光！
探寻星系和生命的起源之谜
探寻更遥远的星系和恒星大概是韦伯最早被赋予的使命，由于哈勃太空望远镜观测波段集中在可见光，当他拍下了哈勃深空场的震撼照片时，已经接近了观测极限，即使后期升级了红外光学摄像机，红外观测能力依然相当有限，目前观测到最远的星系红移量为12左右，对于一般恒星所发的光，这已经是哈勃望远镜的观测极限了。为了探测宇宙更早期的恒星，特别是宇宙大爆炸后形成的第一批恒星的光，就需要一个更强大的红外光学望远镜——韦伯太空望远镜。
覆盖近红外和中红外波段的韦伯太空望远镜能探测到红移量高达20（Z=20）的恒星所发出的光，理论上能捕获宇宙大爆炸后形成的第一批恒星所发出的光，也就是说他能探测135亿年前的早期宇宙，这不但能揭示星系的形成，其红外光谱分析能力还能获得早期宇宙膨胀率的宝贵数据！这些数据将刷新我们对宇宙的认识。
韦伯太空望远镜将怎样刷新我们对宇宙的认知？
由于强大的红外观测能力，韦伯可以穿透厚厚的尘埃云，直接观测形成中的恒星和行星，目睹它们形成的过程。它或许还能揭示星系中超大质量黑洞的形成过程，这在目前依然是个谜。
另一方面，对红外光谱的分析可以获取地外行星的化学组成，从而研究地外行星系统和地外生命的迹象。
由于韦伯存在发现地外生命甚至外星文明的可能，在韦伯升空的次日，就有报道NASA招募了24位神学家研究天体生物学对社会的影响，特别是地外生命的发现对宗教的冲击。
韦伯太空望远镜正向目的地——150万公里外的日地第二拉格朗日点挺进，如无意外将在1个月内进入绕行L2的轨道并完成轨道调整，接下来几个月时间进行仪器的冷却和调试，一切顺利的话，将在明年年中发回第一批观测数据。
希望一切顺利，让人类对宇宙生命认知革命的冲击来得更猛烈些吧！
我是星宇飘零，关(^_^)注~我，与你分享更多有趣科普知识。
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韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST）是有史以来最强大的太空望远镜，它的设计目标是比前任哈勃太空望远镜具有更先进的观测能力，尤其是在红外波段进行探索。它在多个方面都能够刷新我们对宇宙的认识。以下是韦伯太空望远镜的主要功能及其对宇宙研究的重要影响。
1. 深空观测与宇宙起源探索
观测更遥远的星系：
韦伯望远镜拥有巨大的主镜（直径6.5米，比哈勃的2.4米镜面大得多），使其能够捕捉比哈勃望远镜更多的光子，观测到的星系和恒星也因此更加遥远和微弱。
宇宙中的光在远离地球的过程中被红移至红外光，因此韦伯的红外观测能力可以探测到宇宙最早期的星系和恒星，帮助科学家了解大约13.5亿年前宇宙诞生后的情况，看到宇宙形成后最早期的恒星和星系。
观测宇宙大爆炸后的“黎明”时期：
由于韦伯望远镜能够观测非常遥远的红移天体，它可以帮助科学家揭示宇宙在“大爆炸”后第一个几亿年内是如何演化的，研究星系和恒星的最早形成过程，进一步探索宇宙的“宇宙黎明”（cosmic dawn）和“再电离时代”（epoch of reionization）。
2. 研究恒星与行星形成过程
探测恒星形成的星际尘埃云：
恒星的诞生常常被隐藏在浓密的尘埃云之中，这些尘埃对于可见光是不透明的，这使得哈勃等以可见光观测为主的望远镜无法有效看到这些区域。
而韦伯望远镜的红外成像能力使其能够穿透这些尘埃云，揭示恒星在“恒星胚胎期”的形成过程，这些观测对理解恒星形成的物理过程至关重要。
行星系统的形成：
韦伯可以观测围绕新生恒星的原行星盘，这些盘是行星形成的摇篮。通过观测盘中的尘埃和气体，科学家能够了解行星如何形成，以及它们的化学成分是如何演变的。
这对于研究太阳系形成的早期过程，以及了解其他恒星系统的形成具有重要意义。
3. 系外行星的大气探测
分析系外行星大气成分：
韦伯望远镜具备精确的光谱仪，能够在行星经过其母星前方时，分析行星大气层的光谱。通过分析光谱中的吸收线，科学家可以推断出大气的化学成分。
这些观测可以揭示水蒸气、甲烷、二氧化碳等成分，这对于探索类似地球的行星以及可能适合生命存在的行星具有重大意义。
研究“超级地球”和气态巨行星：
韦伯望远镜可以详细研究“超级地球”（质量大于地球但小于海王星的行星）和气态巨行星，特别是它们的大气层、温度分布和化学结构。
通过了解这些行星的化学成分和环境条件，科学家可以更好地理解行星形成理论，以及地球与其他行星之间的异同。
4. 宇宙暗物质和暗能量的研究
星系团的引力透镜效应：
韦伯望远镜能够观测到星系团产生的引力透镜效应，这种效应会放大并扭曲背景中的遥远天体图像。通过研究这些现象，科学家可以更好地推断星系团的质量分布，包括其暗物质的存在。
引力透镜观测还可以用于研究暗物质的分布，以及暗能量对宇宙膨胀的影响。了解暗物质和暗能量是现代物理学的重大挑战，而韦伯望远镜提供了关键的观测手段。
5. 与哈勃太空望远镜的区别与优势
波段范围：
哈勃望远镜主要观测紫外光、可见光和近红外光，而韦伯望远镜主要观测红外光，这使得韦伯能够探测到更多被尘埃遮挡的区域以及远处红移的星系。
灵敏度：
韦伯望远镜的主镜直径6.5米，比哈勃的2.4米大得多，其收集光子的能力是哈勃的6倍以上。结合先进的红外探测器，韦伯可以观测到比哈勃更暗的天体，探测到更远的宇宙区域。
位置：
韦伯望远镜被放置在距离地球约150万公里远的拉格朗日L2点，远离地球的热辐射干扰。与哈勃的近地轨道相比，这样的位置使得韦伯能够以更低的干扰观测冷却的红外目标。
为什么韦伯会刷新我们对宇宙的认识？
探测宇宙的最初时代：韦伯的红外观测能力能够追溯到宇宙诞生后的最初几亿年，这段时间几乎是未被直接观测到的。通过这些观测，科学家可以了解宇宙中最早的星系和恒星是如何形成的，这将彻底改变我们对宇宙早期的理解。
恒星与行星的起源：韦伯望远镜的红外成像将揭示恒星和行星系统在尘埃云中的形成过程，这些尘埃在可见光下不可穿透。理解恒星形成的过程对于揭示宇宙中物质演化的全貌至关重要，而行星的形成则是研究地外生命和宜居性的关键。
探索系外行星大气：韦伯的光谱能力可以揭示系外行星的大气成分和环境条件，例如发现类似地球的宜居环境或者富含生命迹象的物质。对系外行星大气的研究将大大拓宽我们对地球之外可能存在生命的理解。
对暗物质和暗能量的认识：通过对引力透镜效应的精确观测，韦伯望远镜将帮助科学家更好地理解暗物质的分布，以及暗能量对宇宙膨胀的影响，这些是目前宇宙学研究中的重大谜团。
提供全新的宇宙图像：韦伯望远镜捕捉的宇宙图像不仅具有无与伦比的精度和细节，而且揭示了哈勃无法看到的红外部分的宇宙。这些图像将让我们看到宇宙在不同阶段、不同尺度上的模样，刷新我们对宇宙结构、恒星与星系演化的认识。
韦伯太空望远镜将帮助科学家解答许多关于宇宙起源、恒星与行星的演化、暗物质和暗能量的存在等方面的深奥问题，极大地拓展我们对宇宙的视野，使人类得以探索前所未见的“时间和空间的边界”。
