红外线望远镜 对我们了解宇宙的形成

大家好，最近我们都在聊一些意识啊，人类起源啊一些无法得到准确答案的话题，今天我们来聊一聊人类科技顶端的一个东西，詹姆斯韦伯空间望远镜，这个望远镜是2021年12月25日发射到太空的空间望远镜，简称JWST。

可能很多朋友知道哈勃空间望远镜，哈勃是1990年发射的，原本哈勃望远镜预计是工作到2010年为止，在它退休之前要把詹姆斯韦伯望远镜发射上去，结果詹姆斯韦伯望远镜因为各种原因不断的推迟，一推迟就推迟了15年，所以这个哈勃望已经被迫又多工作了15年。

詹姆斯望远镜也不仅仅是工期推迟，它的预算也在不断的上涨，从最初的5亿美元预算涨到了最后的100亿美元。

涨了这么多不仅仅是通货膨胀，还有一个历史背景，这5亿美元的预算是在1996年给出的，那个时候美国不太想往NASA投钱，觉得NASA太费钱了，所以提出了一个叫FBC的口号，叫faster cheaper bettter。

就是怎么以麦当劳的原则来造宇宙飞船或者是望远镜，不过韦伯望远镜是最新技术的望远镜，FBC原则不适用，所以预算后来就不断的增加，最终花了100亿美元。

哈勃望远镜和詹姆斯韦伯望远镜是完全不同类型的望远镜，哈勃望远镜是个可见光望远镜，也就是它拍到的东西和我们肉眼看到的差不多，比我们更强大些，看得更远一些。

但是詹姆斯韦伯望远镜是一个红外线望远镜，它能看到我们看不到的东西，反倒是它看不到可见光，它是为了一个特殊的目的而设计的，就是寻找第一代的恒星。

我们之前聊宇宙的一生的时候曾经聊过，第一代的恒星应该都不存在了，但是它们的光应该还留在宇宙中，应该能观测到，也就是说我们应该能看到它活着时候的样子，只是它现在已经不在了。

如果能观测到这第一代的恒星的话，生命的形成可能有很大的帮助，而且它至少可以从侧面证明宇宙大爆炸这个模型是对的，就是如果找到了，能证明有第一代恒星的诞生，现在找不到就不知道有这个诞生，一旦找到了，就有可能证明宇宙大爆炸模型是对的。

第一代恒星距离我们都非常的遥远，所以它们发出的光就只剩下红外线，于是就把詹姆斯韦伯望远镜设计成了红外线望远镜，才能看到它们发出的光，为什么是红外线？因为在宇宙观测中有个非常重要的原则叫做红移，就是不管什么星它都发出白光的话，远离我们的星，这个白光就会变红，离我们越远就越红，反倒离我们越近就越蓝，有这么一个特点。

通过这个原理我们就能知道这恒星距离我们远近，也正是通过这个原理，100年前哈勃发现了我们这个宇宙正在加速膨胀，因为宇宙中所有的信息都在红移，它们都在远离我们而去，而第一代星距离我们非常的遥远，它这个红遗都不是红的问题了，都到红外线这个区域了，所以只能有红外线望远镜才能看到它们。

当然红外线还有一个好处就是红外线的穿透力特别的强，星系之中是充满了星云的，即使是我们银河系内部距离不是那么远的地方，由于星云的阻挡，很多东西看不见，但是红外线就能穿透出来，比如说这个照片，是我们用肉眼看到的银河系中间都是黑的，但是用红外线来看的话，银河系就是这个样子，所以被星辰挡住的部分其实后面都是亮的，只有红外线能看得到，因此韦伯望远镜坐着红外线就是又看得远又看得透。

詹姆斯韦伯空间望远镜的这个詹姆斯韦伯是NASA第二代局长的名字，这个人是美国最早载人计划水星计划时期的NASA负责人，也是他说服了肯尼迪实施了登月计划，所以是个非常重要的人物。

美国人非常喜欢给望远镜命上人名，当然一般命名都是已经过世的人，如果活着人被命名，这个望远镜一旦出了什么问题就不太好（滑稽）。

詹姆斯韦伯望远镜上最贵也是最重要的一个组件，就是它的反光镜，这个镜子能把宇宙中极微弱的红外线反射到它里边的感光仪器上面成像。

为了实现更好的效果，这个镜子越大越好，但是镜子大了有一个问题就是塞不到火箭里面去，所以它必须折叠，而且镜子大了之后对它的刚度要求就高了，不能易碎，受冷受不热都不能变形，还要结实，能够抵挡住运载火箭运载它的时候的强力震动，所以这个镜子整体非常的重。

再加上镜子展开之后，每一面小的镜子都要能够灵活的控制，所以镜子后面仪器的重量就有镜子重量的10倍，为了减轻镜子的重量，就不能用一般镜子后面的水银，最终他们是选择了一种最轻的金属来做，就是4号元素铍，属于宇宙中非常罕见的元素，但是在地球上有很多铍的天然化合物，最有名的就是祖母绿，是铍的化合物。

还有一个特别增加成本的事情，这个镜子做的时候一般要做好多份。

詹姆斯韦伯望远镜是由18块直径1.32米的六边形镜子组成的，整体直径是哈勃望远镜的3倍。

这个镜子是美国科希伦公司用一年半的时间研磨出来的，铍这种金属本身是银白色的，但是大家看到这个镜子是金色的，因为上面镀了金，目的是为了让这个镜子只反射金色，也就是黄色以上波长的一些光线，就黄色、红色、红外线这样。

所以根本上它不能像哈勃望远镜一样拍摄正常人眼能看到这种宇宙。

除此之外，NASA还在镜面上镀了一层非常硬的膜，因为宇宙空间中有很多飞沙走石，有了毫米级的小陨石，飞行速度达到每秒15米，就是步枪子弹的10倍以上的速度，会打在这个镜子上，打上去不能碎，也不能有划痕。

事实上，在韦伯望远镜发射后的8个月内就经历了5次撞击，其中4次没什么事，但是有一次上面撞了一个坑，这个坑对它的观测精度就会有影响。

但是镜子后面有很多高阶的马达能够微调整，用这个马达可以把误差调整过来，还可以继续用，不然这个镜子就废了，100亿就打水漂了。

为了让这18面镜子，每一面镜子都可以精密的移动，所有镜片后面都安装了7个高精度的马达，让这个镜片能够每次移动5纳米。

还有大家注意镜子前面有一个像接收器的东西，其实这也是一面镜子，采集下来的光线经过4次的反射才能进到镜子后面的仪器里面去，真正的感光元件在镜子的后面。

镜子的有很多重要的仪器，其中最重要的一个就是一个近红外线照相机，这四块就是四个感光元件，每个大概是2k的解析度，近红外线是最贴近红光的一种红外线，就是我们刚刚好看不见的一种红。

这个照相机完全一样的有两组在后面，都可以单独的运作，这个感光元件本身没什么特别，最夸张的是这个感光元件前面的快门，相机里边都会有一个快门，它这4个感光元件前面也都有快门。

大家有没有看到这快门上有一些脏的黑色的东西，其实不是这样，放大了之后，大家看都是一些小窗口，这每一个小块都是一个快门，一个小方格里边具有62000个快门，通常一个相机就一个快门，它这一个感光元件前面有6万多个快门，每个小窗口都能单独控制开关，所以上面这黑的地方就是都打开的地方。

为什么要这么多快门？每个快门还这么小，就是为了观测到特定方向某一个很具体很细节的方向的这个星，快门如果大的话，它观测范围就这么大，一个角度到了100多亿光年之外，这个角度就太大了，100亿光年的所有东西都收集到这一个芯片上，那看不清。

所以就要尽可能的缩小这个快门，让它尽可能看得远，它的范围狭窄一点，只要我们想看的那个部分就可以。

就类似于没有快门的话，它就是个广角。

而有了快门，越小的快门，这个越长焦。

这个快门大小大概是100*200微米，正好能够通过两根头发丝。

除了近红外线照相机之外，里面还有个中红外线照相机，中红外线的波长要比近红外线稍微长一点，更容易观测更远的星球，其实在这个地方有一个问题，就是它是接收红外线，红外线就是只要有一点热量就会发出红外线，那么它自己本身如果有热量的话，它就会发出红外线，就会干扰自己的观测。

所以这个照相机要待在一个特别冷的地方，现在它正常运作，在那个地方宇宙空间是零下220度左右，这个近红外线照相机就可以正常运作了，但是中红外线就是零下230度，也可能发出中红外线干扰它的拍摄，所以这个照相机要所在的温度更低，要零下266度，所以这个照相机带着一个冰箱上去，就给它放在一个冰箱里，这个冰箱是液态氦的。

地球上我们听到过的特别冷的东西是液态氮，液氮是零下196度，要零下266度就只能用液氮氦，液氮氦是零下268度，就可以保证排除中红外线的干扰，让它接收的中红外线都是从宇宙空间传来的。

接下来我们来介绍一下它如何控制温度，让它能保持在那么冷的环境下。

大家可能注意到这个望远镜下面有一个像帆一样的东西，这个其实是个太阳伞，这个照相机其实来用来捕捉宇宙中极远处的红外线，太阳就发出很多的红外线，地球也发出红外线，为了屏蔽这些干扰的红外线，就用到这个帆。

这个帆永远和它的观测方向相反，就能挡住后面的红外线干扰，而且有这个帆的存在，太阳永远照不到它，它就一直很冷，就能够保持在零下230度左右。

这个帆总共是五层结构的，每一层能隔绝90%的热量，五层的话基本上就没有热量了，长22米，宽10米，基本上跟个网球场那么大。

这个东西我们家里用的锡纸是一个原理的，但是它比锡纸结实很多，它也是上去后才展开的，和反光镜一样。

太阳伞的后面还有一个长6米的太阳能板，能够提供2千瓦电能，整个望远镜都是由电能控制的，这个电力就来自于这个太阳能板，旁边这个看上去也像太阳能板，这个就不是太阳能板，是散热片，因为这个望已经非常怕热，所以安装了很多的散热片。

对了，刚才说这个望远镜进入太空之后，镜片也好，太阳伞也好，都需要展开，这个展开需要花一个月的时间，一点点展开一个部分，一个部分的展开，为什么不是直接展开呢，因为每一个部分展开后都要确定这个部分是否可以正常工作，再展开下一个，其中任何一个展开的部分如果不能工作，这个望远镜就废了，就变成垃圾了，而这种一下子能够要它命的叫单一故障点，总共有300个。

当然为了让它不变垃圾，NASA工作人员已经在地面上进行了无数次测试，因为它一旦发射上去就没有办法修理了。

为什么没办法修理？因为它距离我们太遥远，它在哪可能很多人不知道，它比月亮远很多，距离地球150万公里，月亮距离地球38万公里。

现在人类去过最远的地方就是月球，所以比月球远 4 倍的距离，我们没去过，没有办法修理，这个望远镜最终停留的地方叫做第二拉格朗日点或L2，是一个重力平衡点，重力平衡点就是它只要待在那个地方，就会被太阳和地球同时拉住，再加上自己的离心力，平衡在那个位置，什么都不用干，就和地球和太阳保持相对静止，这个叫重力平衡点。

太阳和地球周围总共有5个重力平衡点，这五个点任何一个地方放住第三个物体，这个物体就可以静止在那个地方，这五个点就被称作叫做拉格朗日点，是18世纪的时候拉格朗日和欧拉算出来的五个点，其中1号、2号、3号拉格朗日点是一个准稳定点，就是不是那么稳定的，所以这个望远镜去的时候还是带了点燃料的，一旦偏了，就把自己推回来。

4 号、 5 号是标准的，但是4号5号离地球太远了，离地球最近是1号点，但是观测不到外面，2号点是向外观测宇宙的最佳点。

可能有朋友发现了，这个2号点似乎照不到太阳，那就无法充电了，所以它到2号点之后要围着2号点转，一直在转，就是这个点也可以稳定，绕着这个点转也可以。

这个转是不需要能量的，因为那是一个重力平衡点，任何重力平衡点都可以围着那个地方转，当然这个转必须是垂直于它的重力方向，不然的话就被太阳吸走了。

詹姆斯韦伯已经拍了不少照片了，照片一出来就引起了轰动。

这张是它在测试期间照的一张照片，照了一个距离我们16万光年的一个星系，这个星系很小，是银河系的二十分之一，以前的红外线望远镜拍出来的完全是看不清的，差距一目了然了。

由于它是红外线拍摄，所以整个照片发红。

正式运作之后，2022年7月份发布的第一张照片是在7月11号，由拜登亲自发布的。

这个是韦伯望远镜拍摄的一个叫SMACS0723的星系群的照片，这上面每一个点都是星系。

由上千个星系组成的星系群，这个星系群的光线传到地球要46亿年，而它距离我们实际距离大概51亿光年，所以这个照片是这个星系46亿年前的样子。

这个是当年哈勃望远镜拍的同一个星系群，大家可以对比一下，这个清晰度提升最大的原因就是它这个镜子更大，理论上就是镜子越大越好，但是现在能送上去最大的就这么大。

而且大家可能注意到，哈勃望远镜拍的星芒是十字形的。

韦伯望望远镜拍的是六角形。

因为韦伯望远镜是六棱形的镜片，哈勃是圆的，但是哈勃望远镜的镜片后面有个支架是十字形的，就这一点点的影响就会造成星芒不一样。

这个清晰的照片是用近红外线望远镜拍的，旁边的是用中红外线拍的，中红外线的颜色更清晰，但是单个星系就没那么清晰了。

颜色清晰就好判断距离。

红的远，蓝的近，绿色的就是上面可能有碳氢化合物，也就是说可能有生命。

韦伯望远镜和哈勃望远镜不仅仅是照片的清晰度差距很大，时间的差距也很大，哈勃望远镜拍这张照片用10天的时间，而韦伯望已经只用了12个半小时。

詹姆斯韦伯望远镜展示的第二张图片是这张图片，是不是很美。

这张照片拍摄的是叫米斯特拉尔星云的一个部分，今天会给大家展示一些漂亮的宇宙图片，所有韦伯望远镜拍的照片在NASA的官网都是可以下载的。

这个照片拍摄的叫史蒂芬五重星系，这个是5个星系，其中3号、4号星系正在相撞，周围会有这么一道，这一道就是他俩的星云，撞在一起之后不断产生新的星，就形成一串亮。

也许有朋友注意到了，是的，四芒星光的是哈勃拍的，韦伯拍的是这样的。

刚才说过，颜色是可以判断距离的远近的，所以发蓝色的更靠近我们，大概4000万光年，另外三个就比较远了，大概2亿9000万光年。

在这里给大家介绍另一个判断星系年龄的方法，就是星系里边如果花纹，就是纹路越多的话，它就越年轻。

花纹多比较年轻，老的它比较稳定，它不产生新的星，而花纹就是不断撞击，产生了新的星。

这张图是一个叫做NGC3132的行星状星云，这个星云距离地球只有2000光年。

左边是哈勃拍的，右边是韦伯拍的。

这个星云之所以受到关注，是因为它和太阳的末日形态是一样的，就是太阳最后死的时候一爆炸就变成这个样子。

但是它和太阳有一点不一样，就是它中心其实有两颗星，这个用近红外线就看不出来，用中红外线看出来，一个红星，一个蓝星，一个年轻星一个老星，它俩纠缠在一起。

最后这个是一个普通的行星，韦伯望望远镜最牛的地方就是它接收红外线，不是可见光，所以星球不发光也没关系，不一定是恒星才看得见，行星也看得见，这颗行星叫做WASP96，距离地球1140光年，个头比木星稍微大一点，质量是木星的一半。

这颗星距离它的太阳非常近，只有678万公里，是水星距离太阳的十分之一，就是紧贴着这个太阳在转，所以它旋转的速度非常的快，它一年转一圈只有三天，这个三天是指地球天，就是我们的地球，过三天它就运行转一圈回来了。

由于它和恒星距离特别的近，所以表面温度有1000多，因此NASA一直认为上面是不可能有水的，但是詹姆斯韦伯望远镜看了之后说上面有水，因为发现了水的光谱，说明它上面可能有水蒸气。

詹姆斯韦伯望远镜特别擅长发现水和碳氢化合物，所以天文界特别期待它能够发现地外生命。

韦伯望远镜上面搭载了一个58.9GB的缓存，每天拍的照片都存到这个缓存里，然后发到地球上，每天可以向地球发送55个G的数据。

美国为了不间断地从它上面接收数据，于是在加利福尼亚和澳大利亚的堪培拉，西班牙的马德里分设了三个深空网络接收天线，这三个正好把地球所有的范围覆盖了，所以地球不管怎么自转都有一个接收器冲着韦伯望远镜，就可以接受它上面的数据了，接收的所有数据都会发送到美国宇宙望远镜科学研究所进行合整，形成刚才那些照片。

韦伯望远镜的设计寿命只有5年，但是NASA希望它能用上10年。

而下一代望远镜已经设计好了，也是一个红外线望远镜，名字也有了，叫做罗曼空间望远镜。

罗曼叫南希格雷斯罗曼，是NASA第一位女性首席天文学家，也被称作叫哈勃之母。

哈勃望远镜主要是她领着项目组去设计，登月的时候她就是首席天文学家，罗曼望远镜预计会在2025年发射升空。

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