詹姆斯·韦伯太空望远镜成功发射，宇宙诞生的奥秘或许会即将揭开

古往今来，宇宙究竟是如何诞生的问题，困扰了无数的科学家。尽管有了“宇宙大爆炸”的理论，以及最有可能接近宇宙真相的爱因斯坦所提出的“相对论”，但按照人类目前的宇宙探测手段，对于宇宙的认识仍然十分有限。

但这一切，可能会被人类的一只新的眼睛所改变。你没有看错。

人类有了一只新的眼睛，它有红外传感器，可以窥视宇宙的最深处。它是这样运作的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜，也被简称为JWST，终于推出了12月25日，它开始了距离地球93万英里的旅程。这是下一代取代著名的哈勃太空望远镜。哈勃已经捕捉超过30年的精彩照片，但是是时候做些更好的事情了。JWST号的任务是利用它的红外传感器探索天空中最遥远和最难看到的部分，帮助寻找系外行星和探索宇宙的早期。因此，现在似乎是回顾与太空望远镜相关的最重要科学概念的好时机。

为什么要把望远镜放在太空？

你可以用一些双筒望远镜或消费望远镜从地球上看到各种各样很酷的东西，比如星云和彗星。但是如果你想要研究质量的遥远星系的图像，你有一个问题:空气。你可能认为空气是透明的，但这只是部分正确。

光是电磁波，就可以有不同的波长。人们只能看到很窄的波长范围，从380纳米(1纳米是10-9米)到大约700。我们的大脑把长的解释为红色，把短的解释为紫色。这些波长能够穿过大气层，而亮度没有太大的下降——因此我们可以说空气对可见光是透明的。

然而，对于我们用眼睛检测不到的其他波长的光，空气就不是那么透明了。如果我们考虑电磁光谱的红外区域(或比红色更长的波长)，那么这些光的大部分可以被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收。(是的，这和全球变暖的情况是一样的:当可见光照射到地球表面时，温度升高，并辐射出红外线。空气中的二氧化碳吸收了一些红外线，进一步提高了大气温度。这会导致严重的 东西 对人类来说。)

这种光吸收也是地基红外望远镜的一个特殊问题。这就像试图透过云层看天空——这是行不通的。

解决这个问题的一个办法就是把望远镜放在没有空气的地方:太空中。(当然，每一个解决方案都会带来更多的挑战。在这种情况下，你实际上必须把一个超灵敏的科学仪器放在火箭上发射，这是一个大胆的举动。)

JWST为什么看红外光？

JWST实际上看着二红外光的范围:近红外和中红外。近红外光是波长非常接近可见红光的光。这是你的电视遥控器使用的波长(如果你能找到的话——可能在沙发垫下面)。

中距离红外线通常与热量有关，这是事实。事实证明，万物都会发光。是的，你正坐在那里发光。物体发出的光的波长取决于它的温度。天气越热，光的波长就越短。所以，虽然你看不到红外范围内发出的光，但有时你可以感觉它。

试试这个:打开厨房的炉子，把手放在炉子上，但不要碰它。随着元素变暖，它会产生红外光。你看不到这种光，但当它击中你的手时，你可以感觉到它是热的。

虽然你看不到这种光，但红外相机也可以。看看这张我倒一杯热咖啡的红外照片:

这是一个假彩色图像。基本上，相机将颜色——从黄色到紫色——映射到不同波长的红外光上。较亮的黄色部分(像那壶咖啡)代表较热的东西，较暗的紫色部分较冷。当然，现实比这个复杂(你也可以有反射红外光)，但你得到了这个想法。

太好了。但是为什么JWST看红外线吗？原因是多普勒效应。

你已经知道多普勒效应了。当火车或汽车从你身边高速驶过时，你可以听到:声音会改变频率，因为声源首先向你移动，然后远离你。当车辆向你驶来时，声音的波长较短，因此音调较高，当车辆驶离时，声音的波长较长，音调较低。

碰巧的是，你也可以用光得到多普勒效应——但是由于光速超快(3 108m/s)，在许多情况下效果并不明显。然而，由于宇宙的膨胀，我们从地球上看到的几乎所有星系都在远离我们。所以对我们来说，它们的光似乎有更长的波长。我们称之为红移，这意味着波长更红，因为它们更长。对于非常远的物体，这种红移非常大，以至于有趣的东西在红外光谱中。

实际上，在JWST使用红外光还有另一个很好的理由:由于气体和尘埃是旧恒星的碎屑，很难一览无余地看到遥远的天体。它们比红外波长更容易散射可见光。本质上，红外传感器能够比可见光望远镜更好地看穿这些云。

由于JWST在红外光谱中进行观测，科学家们将需要望远镜周围的一切尽可能黑暗。这意味着望远镜本身需要非常冷，以避免发射自己的红外辐射。这也是它有遮阳棚的一个原因。它会阻挡主要仪器的阳光，这样它们就能保持寒冷。这也将有助于消除多余的光线，这样望远镜就可以从系外行星上获取相对较暗的光线当它们绕着明亮得多的主星运行时。(否则，就像有人用手电筒照你的脸时，试图在黑暗中看到一样。)

JWST是如何感知宇宙过去的时光？

光是一种传播速度非常非常快的波动。在短短的一秒钟内，光可以环绕地球的圆周超过七次。

当观察天体时，我们必须考虑光从天体传播到我们的望远镜或眼睛所需的时间。例如，来自附近半人马座阿尔法星系的光需要4.37亿年才能到达地球。所以如果你在天上看到它，你就真的看到了4.37亿年的过去。

(其实你看到的一切都是过去。你在过去大约1.3秒看到月亮。当被发现离地球最近时，火星已经过去了三分钟。)

这个想法是为了让JWST能够看到超过130亿年的过去，到第一批恒星形成时的宇宙演化阶段。如果你仔细想想，那真是太棒了。

什么是拉格朗日点？

哈勃太空望远镜在近地轨道，这很好，因为宇航员可以在需要的时候维修它。但是JWST会更远，在L2拉格朗日点。但是拉格朗日点到底是什么？

让我们考虑哈勃绕地球运行。对于任何在圆内运动的物体，都需要有一个向心力，或者一个把它拉向圆心的力。如果你把一个球在一根绳子上绕着你的头摆动，把它拉向中心的力就是绳子的张力。对哈勃来说，这种向心力是由于它与地球相互作用而产生的引力。

当一个物体远离地球时，这种引力的强度就会降低。因此，如果望远镜移动到更高的轨道(更大的圆形半径)，向心力会降低。为了保持在圆形轨道上，哈勃需要更长的时间才能进入轨道。(我们会说它的角速度比较低。)

JWST绕着太阳转，而不是绕着地球转——但同样的想法也适用。轨道距离越大，完成一个轨道所需的时间就越多。但是如果你想让JWST离太阳更远呢和在与地球相同的时间内完成一个太阳轨道？(为了更容易控制，望远镜还必须保持相对于地球的相同位置。)为了让这一切发生，你需要使用一个技巧。

这个技巧就是拉格朗日点，一个地球和太阳都在同一方向施加引力的空间位置。一个物体在这一点上有两个引力拉着它，使它做圆周运动。这使得它能够以更高的速度绕太阳运行。它也使它相对于我们的星球保持在一个固定的点上。

地球-太阳系统有五个拉格朗日点。(如果有L2，那么至少应该有L1——对吗？)L2拉格朗日点距离地球约150万公里，这比400公里的低地球轨道要远得多。

以下是地球-太阳系统的其他四个拉格朗日点(未按比例显示):

事实上，JWST不会坐在L2点。相反，它将处于非常缓慢的轨道上。我知道一个物体能在什么都没有的地方绕轨道运行看起来很奇怪——但是记住，望远镜实际上不会绕L2点运行；它将围绕太阳运行。它只会看起来像是从地球上的旋转参考点绕着L2转。

为什么人类要在JWST花费数十亿？

该望远镜的成本约为88亿美元，另外还有10亿美元的运营成本。有些人可能会说这只是太多的钱。事实上，你可以让我相信，有相当多的项目，这么多的数十亿将更好地花费。

但是JWST仍然是一个好的项目。这是对基础科学的投资。科学，像艺术、文学或体育一样，是使我们成为人类的东西之一。人性的一部分是我们对周围宇宙的好奇。有了望远镜，也许我们会发现宇宙大爆炸后不久的样子。我们将能够查找更多行星到处其他明星甚至寻找签名生活的。我们将了解第一批星系是什么样的，以及它们是如何形成的。但科学家认为，他们能从詹姆斯·韦伯太空望远镜中期待的最好的东西，是那些甚至还没有被问到的问题的答案。