1609 年，伽利略·伽利莱将一个镜头宽度不超过一小片黄瓜的望远镜指向天空，以解读月球坑坑洼洼的表面。自那时以来，望远镜已成为我们理解浩瀚、未被探索的宇宙的宝贵工具。对夜空的观测激发了关于银河系及其他远近星系的新理论，从而催生了更好的设备来检验这些理论。我们已经取得了长足的进步，加入了更大的镜面、涂层、更精密的镜片，并将望远镜送入太空。
“天文学是最古老的研究领域之一，但在科学史上绝大多数时间里，我们仅限于在夜空中用肉眼所能看到的东西，”德克萨斯大学天文学家 Caitlin Casey 说。“望远镜在 17 世纪的发展确实具有变革性，它使我们能够越来越深入地窥探宇宙。这不断引出新的谜团；有一些答案，但有更多的问题。”
在伽利略窥探黄瓜般细的镜头四年多之后，美国宇航局计划发射有史以来最大、最强大、最受期待的望远镜。三十年来，公众已经习惯了通过绕地球运行的哈勃空间望远镜来观察太空。詹姆斯·韦伯望远镜（其命名也存在一些争议）被誉为哈勃的科学继承者，它将能够追踪宇宙婴儿时期的光线，而我们对此知之甚少。
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“这是我们迄今为止最复杂的科学任务，”韦伯望远镜光学望远镜组件经理 Lee Feinberg 说，他在 NASA 戈达德空间飞行中心工作，过去二十年一直致力于该天文台的光学研究。
该望远镜的交付晚了 14 年，预算超支了 20 倍，在前往法属圭亚那库鲁航天发射场途中遇到了许多坎坷。（上周，由于数据线故障，发射日期推迟到 12 月 24 日）。但在来自 14 个国家的 1000 多名科学家、技术人员和工程师克服了开发过程中出现的挑战后，该望远镜终于准备好出发，寻找“初光”，使天文学家比以往任何时候都更接近大爆炸。
为时间旅行而建造的巨型镜面
光学和成像技术的里程碑使天文学家能够观测宇宙历史的很大一部分。但当涉及到理解它的起源时，细节仍然模糊不清。
到目前为止，望远镜还未能让我们回溯到足以看到宇宙初光，那是最早诞生的恒星闪耀的光芒。然而，韦伯望远镜配备了最新技术，专门用于收集和聚焦那微弱的光芒。
尺寸是解决方案的一部分。这个轨道上的天文台将使用由轻如羽毛的铍制成的巨型镜面——选择铍是因为它在极低的温度下能保持形状。金属和玻璃组装成蜂窝状，跨度超过 21 英尺；18 个六边形镜面可以展开，并且在收集光线方面非常高效。“即使以地面望远镜的标准来看，它也是一个尺寸不错的望远镜，”亚利桑那大学斯图尔德天文台的Marcia Rieke说，她自 1990 年代后期以来一直参与韦伯项目的工作组。
与已经绕地球运行了 31 年的哈勃空间望远镜一样，韦伯望远镜也是一种卡塞格林反射式望远镜；它使用主镜收集光线并将其聚焦到副镜上，将能量重新反射到其四个最先进的仪器上，包括三个超灵敏的相机，从而形成图像。Rieke 解释说，镜面面积越大，它能收集的光线就越多，以便以更高的分辨率记录微弱的物体——这就像增加相机的光圈一样。当天文学家从韦伯面向地球的天线接收到数据（从 2022 年夏季开始）时，它们将比哈勃和其他现有太空望远镜拍摄的图像更清晰。
韦伯望远镜的设计旨在填补老大哥哈勃望远镜留下的空白，甚至更多。例如，哈勃可以观测133 亿年前的宇宙，这仅比我们宇宙形成的时间晚一点。相比之下，韦伯将能够看得更远，收集六倍多的光线，提供 100 倍的放大能力。韦伯相机的视场也比哈勃宽 15 倍。（与此同时，伽利略的望远镜视场非常窄，以至于月亮会完全充满它。）
在红外线中观测宇宙
詹姆斯·韦伯空间望远镜接收的是人眼可见光谱之外的红外光。这有充分的理由：由于宇宙膨胀，来自遥远天体的光会向光谱的红色端移动到更长的波长。此外，新形成的恒星和行星被隐藏在吸收可见光的尘埃后面。韦伯的红外视线将能够穿透这些尘埃，揭示其背后的景象。
韦伯的四台探测仪器中的三台（一台成像相机和两台不同的近红外光谱仪）覆盖了整个红外波长范围——从0.6 到 28.8 微米。Rieke 帮助设计了望远镜的近红外相机（简称NIRCam），并将在其发射后成为其首席研究员。有了它，韦伯将能够从宇宙的未知角落拍摄更清晰的图像，捕捉与银河系年龄相仿的星系的光。
韦伯的镜面还覆盖着一层微观的金箔，它的红外反射能力几乎优于任何其他金属。这使得它们的反射率达到约 98%（相比之下，标准镜面的反射率通常为 85%），这意味着它们几乎可以捕获所有入射光子。“我们选择黄金是出于非常技术性的原因，但它碰巧看起来也非常有趣，”Feinberg 说。
Rieke 补充说，本质上，韦伯是一个热探测望远镜。但为了完成任务并捕捉到最微弱的星系信号，望远镜的某些部分需要极低的温度，否则它看到的将是它自身的辐射。韦伯有一个网球场大小的遮阳罩——一个五层、菱形结构，由一种称为 Kapton 的材料制成——它将其与太阳光隔离，并使其冷却至-390 华氏度。在如此寒冷的状态下，望远镜产生的辐射非常少，不会干扰其红外相机和传感器。
虽然它经常被认为是哈勃的继承者，但 Rieke 说，韦伯实际上是斯皮策空间望远镜的一个更大、更灵敏的“兄弟”。斯皮策也具有红外能力。由于它飞得太远而无法将图像传回地球，它不得不在 2020 年 1 月退役。而它们都是红外天文卫星的继承者，该卫星在 1983 年首次被送入太空成为红外望远镜。
哈勃不同于韦伯，它主要捕捉人类可见的光，并且仅对一小部分红外光谱敏感。“哈勃一直在不懈地寻找越来越多的遥远星系，”韦伯的首席研究员 Casey 说。“但它真的受到限制，因为它无法扩展到更长的波长。”而且，即使它能产生红外图像，也常常会受到自身辐射的干扰。
天文学最强大的工具
一旦韦伯望远镜在其位于太空中近百万英里的永久家园就位，它将变得非常忙碌。
来自世界各地的 1000 多个天文学家团队申请了韦伯第一年的望远镜观测时间，但 Casey 和罗切斯特理工学院的 Jeyhan Kartaltepe 的一项项目是获批的 286 项提案之一，将用于韦伯的第一年观测。尽管大多数团队获得了大约六小时的观测时间，但 Casey 和 Kartaltepe 的研究团队（由分布在世界各地的约 50 人组成）被授予了 218 小时来执行COSMOS-Webb 巡天项目，该项目旨在收集大爆炸后不久产生的 50 万个年轻星系的图像。Casey 说，虽然一些巡天项目观测的天空区域相当于用手臂伸直时握着的一枚图钉大小，但他们将看到相当于平均夜晚三轮满月大小的一片天空。
Kartaltepe 表示，他们将寻找显示早期宇宙第一个再电离区域的气泡——这意味着来自第一批恒星和星系的光撕裂了氢原子，最终充满了宇宙。“我们称之为‘初光’，即第一批能够发出光子的恒星，然后它们能够将（这些能量粒子）传播到宇宙中我们可以看到的地方，”Kartaltepe 说，并补充说韦伯望远镜最初被称为“初光机”。韦伯还将帮助绘制宇宙最早的物质成分图，包括仍然神秘而难以捉摸的暗物质。
Casey 和 Kartaltepe 的团队将通过反复观测附近天空区域并拼接早期宇宙历史的更广泛视图，最终开发出深度视场。最终，他们将探测恒星、星系和暗物质的分布以及我们宇宙的起源。COSMOS-Webb 团队还将公开其数据供其他研究人员使用。
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由于韦伯在红外波段工作，它还将探测其他恒星周围行星的大气层中是否存在水、甲烷和二氧化碳等分子。该望远镜的近红外光谱仪可以使用微小的快门（每个快门大约相当于人类头发的宽度）一次性将 100 个星系的光分解成单独的波长，这些快门只允许目标光子通过，阻止其他光子进入。该仪器像棱镜一样将光分离成完整的频谱，这使得研究人员能够筛选遥远世界的环境并了解它们潜在的可居住性。
下一站，太空
现在是望远镜开发中一个比较危险的阶段：从法属圭亚那库鲁航天发射场发射。
由于詹姆斯·韦伯空间望远镜非常庞大，其镜面部分必须像折纸一样折叠起来，才能装入 171 x 18 英尺的阿丽亚娜 5 号火箭。与哈勃不同，韦伯望远镜不会停留在近地轨道；一旦发射升空，它将需要大约30 天的时间才能抵达其位于宇宙深处的新驻地，然后进行复杂的展开过程，将镜面瞄准遥远的星系。望远镜上的一个摄像头将在镜面就位时拍摄不同的序列，以便地球上的团队可以进行十亿分之一米的调整。“我们需要将它精确到波长的一小部分（在传感器中），”Feinberg 说。“我们已经等了很长时间才能真正做到这一点。”校准过程将需要大约六个月，之后韦伯将开始收集数据。
韦伯最精彩的图像将于 2022 年年中开始出现，但对于这款备受期待的望远镜来说，时间紧迫。该任务的设计寿命为 5 到 10 年，其偏远的位置意味着，与哈勃不同，一旦出现问题，它无法进行维修。因此，它必须从一开始就完美运行。在那十年仰望星空之后，韦伯将耗尽燃料，基本上变成价值数十亿美元的太空垃圾——但在此之前，它将永远改变我们看待自身在宇宙中位置的方式。
“韦伯开始建造的时候我还在上小学，”Casey 说。“作为一个最终受限于我们家园行星的物种，我们能够如此深远地窥探宇宙，看到它自身的起源，这真是太了不起了。这非常深刻。”
