2022年7月12日，NASA召开新闻发布会，以图片的形式展示了韦布空间望远镜首批科学数据，并由专业研究人员解读这些数据的科学潜力和价值。这些图片震撼了世界，宇宙从未如此清晰，本文就带你一起走进韦布的世界。

韦布空间望远镜的艺术想象图。左边与右边的背景分别代表深场观测与系外行星观测。图源：ESA

詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST: James Webb Space Telescope，下文简称“韦布”）是美国航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）和加拿大宇航局（CSA）联合研发的红外空间望远镜，以NASA第二任局长詹姆斯·韦布的名字命名。北京时间2021年12月25日下午8:20分，在法属圭亚那的ESA库鲁基地，由阿丽亚娜5号火箭运载发射升空。送入太空后，韦布将要航行约一个月，进入预定轨道，在距离地球约150万千米的日地系统拉格朗日L2点处的晕轮轨道运行。L2轨道重力环境稳定，太阳、地球和月亮在同一侧，远离并遮挡它们的热辐射，使望远镜能够冷却至绝对温度50K以下，降低自身热噪声，有效提升望远镜在中红外波段的探测灵敏度。另一方面，L2轨道与地球一起绕太阳公转，与地球距离不变，能够方便地传输指令和数据。

左图是韦布在轨道运行的想象图；右图是望远镜的模型图。金色部分是18块镀金的子镜片拼接成的主镜，前方是由三杆支撑的次镜，主镜中心是通光罩，后方有第三镜和科学仪器模块，下方是五层镀铝的薄膜遮阳罩，太阳能电池板和通讯模块在遮阳罩下方，朝向地球和太阳一侧。图片来源：NASA。

01

望远镜和科学仪器的特色

韦布的发射重量为6.5吨，约是哈勃(11吨)的一半。韦布光学系统采用的是主镜、次镜和第三镜组成的柯尔施光学系统，能够实现宽视场的同时消除色差、彗差和像散。主反射镜由18块子镜片拼接成，直径达到6.5米，集光面积为哈勃的5倍以上。子镜片由金属铍制成，采用蜂巢结构以减轻重量，表面镀金，每块子镜后面有7个触动器来调节位置，精度可达10纳米。次镜直径0.74米，后面安装6个触动器，整个望远镜有132个触动器。触动器由微型步进马达驱动，能够以58纳米步长粗调，或7纳米步长微调。望远镜的大型遮阳罩由五层涂有硅和铝的聚酰亚胺薄膜制成，可有效隔断来自太阳、地球和月亮的热辐射，使望远镜系统保持在低于绝对温度50K的低温状态下。

位于马里兰州的NASA戈达德太空飞行中心(GSFC) 领导研发工作，望远镜的地面控制运行机构是位于约翰霍普金斯大学的空间望远镜科学研究所（STScI）。主要承包商是诺斯洛普·格鲁门公司（Northrop Grumman）。但由于韦布采用很多新技术，研制过程中遇到非常多的困难以及其他各种原因，导致项目严重超支，发射时间数次推迟，最新预估总耗费超过100亿美元。

韦布携带四个科学终端仪器：近红外相机NIRCam、近红外光谱仪NIRspec、中红外成像光谱仪MIRI和精确导星相机FGS/近红外成像无缝光谱仪NIRISS。

NIRCam工作波段0.6-5微米，配备10片4百万像素的近红外芯片（夜视仪采用同类芯片），近红外相机也用作望远镜调焦和镜面精准控制的的波前成像。

NIRSpec能够获得0.6-5微米的光谱，有多目标、积分视场和长缝三种光谱观测模式。通过旋转光栅转轮实现三个模式之间的切换。多目标观测时，还启用一个技术先进的微狭缝生成器对选定的数百天体设定通光狭缝。

MIRI工作波段5-27微米，由一个中红外相机和一个成像分光仪组成。

CSA研制的FGS和NIRISS集成在一起，除了用来精确控制望远镜姿态以外，还能够在0.8-5微米波段成像和无缝光谱。

韦布能够提供比哈勃更高的红外分辨率和灵敏度，比哈勃探测到的最微弱信号还要低100倍。

韦布之所以侧重在近红外到中红外的观测能力的主要原因有三：

由于红移效应，高红移天体的静止光学波段辐射只能在红外窗口来观测；

宇宙中低温天体（如原行星盘和系外行星）和介质的辐射主要集中在红外波段；

地面观测和现有空间望远镜（如哈勃望远镜）难以开展红外波段高灵敏度的观测。

韦布主要开展四个方面的科学目标：

第一代恒星和星系的形成；

星系形成和演化；

恒星形成和行星系统的形成；

行星大气和生命起源。

韦布的探测能力远超此前的地面和空间观测设备，能够对宇宙最遥远的天体（包括第一代恒星和形成的第一代星系）进行观测，也能够辨识近邻恒星-行星系统中潜在宜居系外行星的大气成分。

02

一波三折的研制过程

韦布作为哈勃的继任者，其研发计划始于1990年代初期。NASA的空间望远镜技术研发团队在1989-1994年间提出测量高红移宇宙的下一代空间望远镜（NGST：Next Generation Space Telescope）的概念设计方案，计划耗资5亿美元，建造一个4米直径的红外望远镜，于2007年发射到3个天文单位 (AU) 的遥远轨道上，大大减少黄道尘埃辐射和反射的背景光及其带来的噪声。

同时期，一些研究团队还提出几个不同的NGST概念设计方案，其中一个是在L2点放一个8米口径的望远镜。

NASA于2002年9月重新命名NGST为詹姆斯·韦布空间望远镜；2003年下拨资金支持韦布的设计工作，并限制望远镜口径至6.1米；2005年又根据预算重新规划NGST的集成和测试计划，发射时间推迟到了2013年。该项目的总成本估计为 45 亿美元，其中包括用于设计、开发、发射和调试的约 35 亿美元，以及用于十年运营的约10亿美元。ESA包括发射在内贡献了大约3亿欧元。CSA于2007年承诺提供3900万加元，计划于 2012 年提供用于调节望远镜朝向和探测遥远行星大气的科学仪器。

2006年4月NASA对这一新规划进行了独立评审。2007年1月，10项技术开发项目中的9项顺利通过评审。这些技术被认为足够成熟，没有重大风险。剩余的一项技术开发项目（MIRI 低温冷却器）于2007年4月评估认定技术成熟度满足要求。

此后，进入韦布工程详细设计阶段。2008年3月，韦布项目成功通过系统工程设计评审，2009年3月完成综合科学终端模块设计评审，2009年10月完成的光学望远镜元件设计评审，2010年1月完成太阳遮罩设计评审，2010年4月通过详细方案设计评审，满足科学目标和工程要求，意味着韦布详细设计方案可以满足科学目标和工程要求，但建造预算已大大超过原来的预期。其后几个月内，一个独立综合小组评审韦布项目的研制计划时间表，对其可行性提出质疑，要求负责团队重新制定新的研制计划，争取2015年发射，且不晚于2018年。

到2010年，韦布项目的花费显著超出预算，已经影响到其他空间项目的立项。2011年美国国会有议员建议终止韦布项目。尽管如此，NASA设法使这一望远镜项目的研制工作继续进行。

2011年，NASA对韦布的详细设计、施工和运作的方案进行了详细评审，并获得通过。韦布复杂的设计方案不能再修改，项目转入最终制造阶段。

2015年11月开始研制机械手臂组装主镜分系统，2016年11月完成望远镜的建造组装。此后开展广泛的测试，发现很多问题，导致项目进度晚于计划，不得不将发射日期推迟至2019年。2018年3月，由于望远镜的太阳遮罩在测试组装期间撕裂，NASA将韦布的发射再推迟一年到2020年5月。2018年6月，根据2018年3月测试组装失败后召集的独立审查委员会评估的结果，审查还发现还有344个潜在的故障点，NASA将发射时间再推迟10个月直到2021年3月。2019年8月，韦布其他机械结构完成组装，并加装好五层遮阳罩。这比原定于2007年完成NGST的计划足足晚了12年。

施工完成后，韦布在加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯洛普·格鲁曼工厂进行了最终测试。受COVID-19新冠疫情影响，2020年望远镜测试工作几乎处于暂停状态。

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发射和在轨展开

2021年9月26日韦布搭载一艘船离开加利福尼亚州，经过巴拿马运河，于2021年10月12日抵达法属圭亚那。北京时间2021年12月25日下午8:20，在法属圭亚那的ESA库鲁基地，负责运送的阿丽亚娜5号火箭顺利升空。2022年1月4日，韦布长达20米的遮阳罩完全展开。

2022年1月8日，望远镜的主镜展开，这标志着该望远镜已顺利完成全系统展开就位。2022年1月24日，韦布成功抵达最终目的地距离地球约150万千米的日地系统拉格朗日L2点。

2022年2月初，韦布机载设备启动后拍摄到了第一颗恒星的图像并将其发回地球。2022年3月16日，NASA 举行发布会，宣布韦布已经在3月11日完成关键的镜面校准步骤中的精细相位调整，并公布了一张相位调整的照片。该照片是以一颗名为2MASS J17554042+6551277的恒星为基点，该颗恒星显示出八条对称的衍射芒。JWST的科学仪器也在逐步调整到最佳观测状态。

韦布的镜面相位精调到位共焦共相后，由近红外相机实际拍摄的恒星2MASS J17554042+6551277的星像，展现出8条衍射芒。图片来源：NASA。

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传回首批科学图像

2022年7月11日，在白宫新闻发布会上，美国总统乔·拜登为韦布的第一个深场彩色图像揭幕。这是韦布的近红外相机NIRcam仅用12.5小时曝光获得的星系团SMACS 0723的图像数据，是迄今在近红外窗口拍摄的最深且分辨最清晰的宇宙照片，展现了前所未见的丰富细节。

星系团SMACS 0723距离我们46亿光年，是一个巨大的“引力透镜”，把背后更远的星系的光放大数倍，更有利于天文学家观测研究。其中部分星系的图像甚至因为强透镜效应被扭曲成圆弧！图像展现的上千星系形态各异，分布于宇宙不同时期，甚至有宇宙大爆炸之后仅3亿年时期形成的星系。

韦布拍摄的星系团SMACS 0723的图像。图片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同发布。

2022年7月12日美国东部时间10:30，NASA召开新闻发布会，展示韦布首批科学数据中的其他图像，通过视频直播专业研究人员解读这些数据的科学潜力和价值。

第二张图展示的是韦布近红外成像无缝光谱仪NIRISS获得的系外行星WASP-96 b的0.6-2.8微米波段的透射光谱。这颗系外行星位于南天球凤凰座，距离地球1150光年，主星是一颗类似太阳的恒星。WASP-96 b是一颗气态巨行星，质量为木星的一半，直径更大，轨道周期3.5地球日。展示的光谱是6月21日这颗系外行星穿过主星前方（即凌星）时观测到的。行星凌星时会部分遮挡主星的光，其大气中的气体分子也会在恒星辐射谱上留下吸收特征。与没有遮挡时的恒星光谱对比，就能得到系外行星大气的透射谱。

韦布拍摄的系外行星大气光谱，显示气态大气中水分子等吸收特征。图片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同发布。

图中标记水分子的谱特征，显示该系外行星表面温度可达700多摄氏度。基于这些光谱信息，研究人员能够分析行星大气的主要气体成分、其中的云雾变化等，能够确切了解系外行星的更多具体特征。系外行星WASP-96 b的大气透射谱的丰富细节，展现了韦布无与伦比的观测能力，能够对系外行星的研究带来变革性的影响。

韦布NIRcam相机拍摄的Carina星云西北角的恒星形成区NGC3324的彩色图像。图片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同发布。

上面这一图像是韦布NIRcam相机拍摄的Carina星云西北角的恒星形成区NGC3324的彩色图像，看起来像“宇宙悬崖”。NGC3324距离我们7600光年，是非常有名的恒星形成区域。图像中展示的星云中的很多小亮点，是内部诞生的恒星，它们在光学窗口几乎不可见。而近红外辐射穿透能力强，可以揭示星云尘埃和气体内部恒星如何形成，以及年轻大质量恒星的辐射对周围的星云的反馈作用。韦布的MIRI仪器也拍摄了NGC3324的中红外图像，能够探测到星云中诞生的年轻星周围的原行星盘以及外流等结构特征。

韦布NIRcam和MIRI相机拍摄的位于南天球船帆座的南环星云彩色图像。左图是近红外图像，右图是中红外图像。图片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同发布。

上图是行星状星云NGC3132的近红外（左）和中红外的图像。NGC3132距离我们2500光年，是一颗正在死亡的恒星，外部的包层物质被抛离，形成一个气体和尘埃环带，色彩丰富，非常壮美！韦布的观测首次揭示中心恒星还有一颗被尘埃遮蔽的伴星！图像展现星云的极其精细的结构，和反射中心恒星的星光示踪内部的物质分布，能够帮助天文学家们极大地增进对恒星晚期演化的物理过程的认识。

韦布NIRcam和MIRI相机拍摄的致密星系群Stephan’s Quintet的近红外和中红外合成的彩图。图片由NASA，ESA，CSA，STSCI共同发布。

上图是非常著名的星系群Stephan’s Quintet的近红外和中红外图像合成的彩色图像。这一星系群又称Hickson致密星系群表中编号92 （HCG92），有五个成员星系，其中四个彼此距离非常近，正在经历并合和相互作用。位于图像最左边的第五个星系NGC7320是一个旋涡星系，距离我们更近（4千万光年），没有受到其他成员星系（2.9亿光年）的显著引力拖拽。星系的并合和相互作用是星系演化过程的一个极其重要的机制。韦布的观测数据具有极高的空间分辨率和灵敏度，可以对这一星系群中并合星系的恒星和尘埃的空间分布做精细的研究，对理解星系相互作用究竟如何影响星系演化提供极有价值的观测实证。

作为哈勃的继任者，韦布在遥远的深空轨道，通过新的窗口以前所未有的分辨率和灵敏度观察宇宙更深处，精测更暗弱的天体，成为人类探索宇宙最强大的观天利器。

作者简介

郑宪忠

中国科学院紫金山天文台大视场巡天科学研究团组首席研究员，博士生导师，中国科学技术大学-紫金山天文台大视场巡天望远镜副总设计师。主要研究方向为星系形成和演化，利用HST、Spitzer空间望远镜和地面大型望远镜观测研究宇宙不同时期星系的性质和相关规律。