宇宙大爆炸究竟如何發(fā)生？宇宙真正延伸了多遠(yuǎn)？人類在宇宙中是否是孤獨(dú)的？

在不遠(yuǎn)的未來，哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者詹姆斯 · 韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），或?qū)⒔獯疬@些問題，現(xiàn)在它交出了第一份答案。

JWST 拍攝到了迄今為止最深、最清晰的遙遠(yuǎn)宇宙紅外圖像，也是它服役以來第一張全彩色圖像。

以紅外成像為眼，觀測(cè)未知的古老宇宙

圖中是 46 億年前出現(xiàn)的星系團(tuán) SMACS 0723，包含了數(shù)千個(gè)星系。

它由 JWST 的近紅外相機(jī)（NIRCam）拍攝，用不同波長(zhǎng)的照片合成，收集所有照片總共耗費(fèi)了 12.5 個(gè)小時(shí)，若交給哈勃望遠(yuǎn)鏡則需要數(shù)周時(shí)間。

▲ 圖片來自：NASA

美東時(shí)間 7 月 11 日下午，NASA 局長(zhǎng) Bill Nelson 在白宮的最后一分鐘特別簡(jiǎn)報(bào)會(huì)上公布了這張照片：

總統(tǒng)先生，如果您將指尖上的一粒沙子放在一臂遠(yuǎn)的地方，那就是您所看到的宇宙的一部分。

但圖中的星團(tuán)十分巨大，甚至彎曲了它們周圍的空間和時(shí)間，結(jié)果呈現(xiàn)出一種「引力透鏡」的現(xiàn)象，放大了星團(tuán)背后更遙遠(yuǎn)的星系。

圖中其中一些星系發(fā)出的光已經(jīng)行進(jìn)了 130 億年，才能到達(dá)望遠(yuǎn)鏡面前。

JWST 不僅會(huì)對(duì)目標(biāo)天體成像，而且還能將光分解成不同的波長(zhǎng)。

因此，JWST 不僅可以聚焦遙遠(yuǎn)的星云、星系團(tuán)甚至系外行星，讓我們看清以前從未見過的微小結(jié)構(gòu)，還可以幫助研究人員了解星系的質(zhì)量、年齡、歷史和成分。

這主要是因?yàn)椋琂WST 的原理與哈勃等望遠(yuǎn)鏡不同，它基于紅外成像，觀測(cè)人眼不可見的電磁光譜區(qū)域（紅外區(qū)域）發(fā)出的光。

發(fā)揮作用的是近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機(jī)（NIRCam）、近紅外成像儀和無縫攝譜儀（NIRISS ）這四種科學(xué)儀器。

哈勃有部分紅外探測(cè)能力，但不如 JWST。

▲ 哈勃觀測(cè)猴頭星云的可見光（左）和紅外視圖（右）. 圖片來自：NASA and ESA

JWST 觀測(cè)到的紅外區(qū)域，對(duì)于繪制我們宇宙的時(shí)間線至關(guān)重要——由于宇宙在不斷膨脹，最古老稀有的恒星，以及被它們照亮的事物，只會(huì)以紅外光的形式出現(xiàn)在我們面前。

天文學(xué)家希望使用 JWST 探索宇宙歷史的每一個(gè)階段，從我們的太陽系內(nèi)部到早期宇宙中最遙遠(yuǎn)的可觀測(cè)星系，再到介于兩者之間的一切，幫助人類了解宇宙起源、星系演化和我們?cè)谄渲械奈恢谩?/p>

也就是說，我們有望觀測(cè)今天可見宇宙的初期狀態(tài)，看到在大爆炸后僅幾億年形成的首批星系，徹底改變我們所知道的天體物理學(xué)。

這張照片還只是預(yù)告，北京時(shí)間 7 月 12 日 22 時(shí) 30 分，NASA 將直播發(fā)布更多全彩圖像和數(shù)據(jù)，包括星云、星系和太陽系外行星大氣。

迄今為止最昂貴的空間望遠(yuǎn)鏡，不允許任何失誤

JWST 經(jīng)過大約 25 年的發(fā)展，于 2021 年 12 月 25 日發(fā)射升空。

在此之前，它經(jīng)歷了數(shù)十年的準(zhǔn)備，計(jì)劃始于 1990 年代初期，以 NASA 第二任局長(zhǎng)詹姆斯 · 韋伯的名字命名，預(yù)算為 5 億美元，在 2007 年投入使用。

然而，JWST 的建造難度之大遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 NASA 的預(yù)料，由于項(xiàng)目存在很多工程延誤和成本超支，JWST 在 2005 年進(jìn)行了重大的重新設(shè)計(jì)，發(fā)射時(shí)間一拖再拖，直到 2021 年 JWST 終于有可能發(fā)射。

20 個(gè)國(guó)家持續(xù) 25 年的投入、數(shù)萬名科學(xué)家的傾力合作、各種挫折和多次推遲，種種因素造就了史上最貴的空間望遠(yuǎn)鏡，JWST 造價(jià)接近百億美元。

▲ 完全展開的 JWST（藝術(shù)渲染圖）. 圖片來自：NASA

前沿科學(xué)燒錢，自然有燒錢的道理，它包括了更大口徑的鏡片、10 納米級(jí)別的鏡面材料、大小相當(dāng)于網(wǎng)球場(chǎng)的遮陽板等等，其中很多是有且僅有的「孤品」，必須要 100% 的正確率。

簡(jiǎn)言之，技術(shù)是突破性的，研發(fā)是孤注一擲的，體現(xiàn)在成本上也絕不是簡(jiǎn)單的線性增長(zhǎng)。

就算可以發(fā)射，JWST 太過龐大，不能直接以完整形態(tài)發(fā)射到太空，必須折疊起來才能安裝在火箭上發(fā)射，只能發(fā)射后在遙遠(yuǎn)的太空中完成各項(xiàng)調(diào)整，還不允許任何失誤。

光是在太空將遮陽板展開，就花費(fèi)了兩周。

JWST 觀測(cè)組件的溫度必須保持在 40K（-233.15 ℃）以下，才能看到微弱紅外光，遮陽板起到的就是控溫作用。否則，觀測(cè)目標(biāo)的信號(hào)會(huì)淹沒在來自望遠(yuǎn)鏡本身、太陽、地球與月球的紅外輻射中。

▲ 遮陽板在發(fā)射前接受地面測(cè)試 . 圖片來自：NASA

展開遮陽板的復(fù)雜體現(xiàn)在，每個(gè)關(guān)節(jié)必須完美執(zhí)行，遮陽板才能被打開。整個(gè) JWST 有多達(dá) 344 個(gè)單點(diǎn)故障，遮陽板包含其中的很大一部分，單點(diǎn)故障意味著一旦出現(xiàn)故障，那么整個(gè)項(xiàng)目宣告失敗。2018 年測(cè)試期間薄膜的意外撕裂也是項(xiàng)目推遲的因素之一。

主鏡的校準(zhǔn)同樣耗費(fèi)了大量時(shí)間。

JWST 的主鏡，被設(shè)計(jì)為由 18 塊六邊形鏡片組成的「蜂窩狀」可折疊反射鏡，這有助于它從所選目標(biāo)捕獲大量紅外光。但是這些鏡片中的每一個(gè)（加上次鏡和其他組件）都需要精確調(diào)整，以使其中反射的圖像與其他反射鏡匹配和重疊。

▲ 動(dòng)圖制作自：YouTube@JWST

在過去的六個(gè)月里，工程師和科學(xué)家一直在仔細(xì)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的鏡面部分并校準(zhǔn)其儀器。

如今，JWST 終于準(zhǔn)備好了一切，開始為人類收集來自遙遠(yuǎn)星系的光。