空中课堂 | 6米的韦布空间望远镜强在哪？

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詹姆斯·韦布空间望远镜示意图 图片来源于NASA

北京时间2021年12月25日晚8点，巨大的亚利安5号火箭从法属圭亚那的欧洲空间局航天发射中心升空，上面搭载着口径6.5米的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）。

亚利安5号火箭中的JWST示意图 图片来源于NASA

这个由美国宇航局（NASA）、欧洲空间局（ESA）和加拿大宇航局（CSA）联合发起的空间望远镜项目，前后经历了长达25年的研制和各种延误，预算不断追加，最终耗资达到了100亿美元。虽然如此“难产”，但依然物有所值，它注定会彻底改变人类对宇宙的认知和对恒星演化和系外行星的了解。

提到空间望远镜，大家可能最熟悉的就是30年前发射的哈勃空间望远镜，其口径只有2.4米，但功勋卓著。新入行的韦布空间望远镜口径可是又大了将近3倍。

在计算望远镜的理论分辨率时，可以用下面简单的公式计算最小分辨角r（单位弧度），其中λ是工作波长，D为望远镜的有效口径：

如果哈勃望远镜工作在近红外的1000nm波段，我们可以计算出它的分辨率约为0.1"。现在地面上的大望远镜口径可以达到10米，但受到大气抖动等因素的影响，理想情况下的分辨率也就在0.5"左右。哈勃望远镜的成像甚至都好于地面口径更大的望远镜，韦布空间望远镜就更没得说了。在相同的近红外波段它的分辨率可以达到0.04"。这是现在地面观测所无法企及的。

韦布空间望远镜的另一个重要特点就是它的工作波段从600nm可见光的橙色一直可以延展到28.3um的远红外波段，这对于它的科学目标来说非常重要。

类似地球这样的行星表面温度大约是300K左右，根据维恩位移定律，其辐射的峰值波长就在10000nm的红外波段。而行星大气中的主要成分，如二氧化碳、水分子等的吸收也集中在红外波段。韦布空间望远镜的红外探测能力加之超高的分辨率，使其在行星探测和行星大气成分研究中具有独特的优势。

叠加行星大气吸收线的恒星光谱，为避免地球大气的影响需要空间望远镜来获得。 图片来源于NASA

宇宙中的天体普遍都在远离我们，其发出电磁辐射的波长会变长，由于在可见波段，长波的光表现为红色，波长变长的现象被称为“红移”。对于一些非常遥远的星系，其可见光波段的辐射会移动到红外波段。上面提到红外波段受大气的吸收影响很大，因此在地面上很难看清遥远的高红移天体，而空间望远镜则不受大气影响。韦布空间望远镜所搭载的红外光谱仪，可以观测到红移20甚至更高的天体，这些宇宙诞生早期的景象，将首次被我们看到。

韦布空间望远镜虽然已经发射升空，但它还要经历遥远的征程，到达日地第二拉格朗日点（L2），也就是地球背向太阳150万公里的位置，才会完全展开，正式投入工作。这也是在保证通讯和数据传输的情况下，受地球和太阳影响最小的，发射成本最经济的位置了。

日地系统的5个拉格朗日点中L2点是探测器的最佳位置 图片来源于网络

让我们期待强大的韦布空间望远镜为我们传回壮美的天体图片和重要的科学数据吧。

作业时间

问 题：你知道韦布空间望远镜需要多长时间到达L2点吗？

文章作者：北京天文馆 李昕 刘纪认

文章编辑、排版：北京天文馆 管峰

公众号名称：北京市科学技术研究院

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