哈勃老矣，尚能“探”否？
自哈勃望远镜1990年升空后，科学家们就一直在思考一个问题，有没有必要占用哈勃望远镜的大量观测时间，去凝视一片固定的看似空白的区域？
直至哈勃让所有人都明白，太空中没有空白区域，黑夜之所以黑暗，是因为我们的眼睛无法触及那些微弱的光明。
哈勃遗产场（Hubble Legacy Field），这可能是哈勃呈现出来最平平无奇的照片，但是如果你知道这张照片的拍摄过程，知道了这张照片究竟意味着什么，你会惊叹这简直就是神迹！
哈勃用了16年时间，不断把镜头转向了这一片“黑暗”，经过7500次曝光，总曝光时间长达640万秒，31个天文学家团队，耗费了250天的时间，将获得的图像拼合起来，那些亮点可追溯到宇宙诞生后仅仅5亿年！
凭哈勃一己之力，人们开始触及宇宙原本荒芜的状态，解开星系诞生的序幕，进而测算出宇宙的年龄，改写宇宙膨胀理论，出现了暗能量、暗物质，这些现在看来，已然成为了宇宙学的基础。
但宇宙，远比我们想象的还要丰富！
我们是谁？我们从哪里来？我们是孤独的么？这些灵魂的拷问，即使强大如哈勃太空望远镜，它能透露给我们的信息依旧有限。为了描绘一幅完整的宇宙图景，科学家们建造可以在不同的波段下进行观测的望远镜。
关于红移的概念
这里有必要用一小段文字，先简而言之的插播一段关于红移的概念。
来自遥远星系的光，在传播的过程中会被持续膨胀的宇宙所拉伸，波长不断的变长，由原本的紫外线和可见光的波段被推入了近红外波段，我们称之为红移；星系越是遥远，收到红移的影响也就越大，因此我们需要一台红外望远镜，深入的“穿越”时间和空间，观测更遥远的天体，包括宇宙中第一批恒星和星系的诞生。
第一批恒星的诞生标志着宇宙史上“黑暗时代”的终结；
了解这些对科学家至关重要，这极大影响后来星系的形成。
哈勃有一定近红外观测的能力，在2016年时拍摄了距离我们最为遥远的GNZ11（z=11.1）星系，这个诞生在宇宙大爆炸之后仅仅4亿年的古老星系，随着宇宙膨胀，已经距离我们有320亿光年遥远的距离了。至于探测更遥远的星系，就真的超出了哈勃的观测能力范围。
当红移为3（z=3）的时候，我们回顾的是110-120亿年前的宇宙；而当红移为10（z=10）时，我们看到的是宇宙诞生后的几亿年；即第一批恒星和星系开始形成的时候。
继任者JWST应运而生
在了解了红移概念之后，大概就能理解1996年詹姆斯·韦伯（JWST）在图纸上时的建造初心了 —— 我们需要一台功能更强大的近红外和中红外望远镜，来寻找宇宙的边界！
哈勃可以观测到巨大的尘埃和厚重的气体，但是却看不到背后的东西。如果用红外波段观测，就能清楚看到这些尘埃云背后发生了什么，比如更早、更远的恒星和行星。
可见光下和红外线下的船底座星云
我们要探索宇宙大爆炸后诞生的最初期的那批星系；我们需要了解星系是如何形成与演化的，一直到它如何成为一个黑洞；我们需要充分理解恒星-行星系统是如何诞生的？我们甚至要知道，在宇宙中，人类是否是孤独的存在？
但这台望远镜的上天之路实在太过坎坷，一直在鸽与被鸽的路上；从原本预计的2014年发射也已经过去了6年，预算也从最初的5亿美元花边花到现在将近100亿美元，依旧还没上天！
为了星辰大海，人类愿意付出的代价真的不可思议！但最终都会发现，这种承载着人类无穷尽梦想和渴望的伟大的事物，一切等待都有安排和意义。
为了更好的加码红外波段观测水准，科学家们可以说是全技能树GET；当时还躺在图纸上的詹姆斯韦伯，就用到了当下并不存在的10多种技术。
黄金圣斗伯
为了使收集到的波长数量足够庞大，那么望远镜的分辨率就需要足够强大，更大的镜面能带来更高的分辨率；哈勃的镜面大约2.4米，而JWST有6.5米巨大的主镜，这相当于，你可以在40公里以外足够清晰的看到一枚硬币。
但随之而来的问题也就是，这么大的镜子，运载火箭都装不进？咋上天啊！牛bility的科学家们，设计了堪称航天史上最复杂的技术：他们决定将镜面分成18片较小的六边形，这样就可以折叠起来塞进火箭里面了，同时每块镜片后面还有6个微型制动器严格调节镜面曲率和方位，以应对镜面轻微变形的情况。
科学家需要控制展开后的精度是10纳米级别，这难度之高简直令人疯狂，什么概念呢？就是人的头发直径大约80微米，这精度要求，也就是一根头发的1/8000吧。
如果使用类似哈勃望远镜的镜面材质，那它的重量将会是哈勃主镜的10倍，这对于运载火箭来说太重了。科学家们从来都是两者兼得的，既要保证高分辨率，同时控制重量。最后选择了金属铍（对对对，就是氢、氦、锂、铍、硼的铍），保证单片重量可以控制在2万克以内。
铍的抗弯刚度强，热稳定性好，热导率高、密度低，种种都符合要求，但即使将其抛光到极致的平滑，铍都不是反射红外线的最理想选择。
所以为了提高红外反射率，科学家们又开始了镀金之旅，一面镜子控制的黄金用量严格控制在2.8克，光是这个工序，就花了整整19个月。
——JWST的18个特殊处理的轻质铍反射镜在美国11个不同的地方经过14道不同的处理工序，才算完成。这张图显示了他们经过的不同地方，以及在每个地点所完成的工作。
冰火两重天
由于红外摄像机对辐射（即光和热）更敏感，需要保持主反射镜和科学仪器在绝对低温的环境工作；同时作为一个整体，需要回避宇宙中一切干扰的热源和尘埃。按照以往的设计，通常是使用主动冷却系统，将望远镜冷却到适当观察红外波长所需的温度。但这限制了望远镜的工作寿命，因为一旦冷却剂耗尽，天文观测就无法继续进行。
现已退役的斯皮策望远镜，使用的便是液氦冷却剂，当冷却剂被消耗完毕后，红外线摄谱仪和多波段成像光度计停止工作了，幸而IRAC四台摄像机中的两台坚持了下来。
毕竟JWST太太太太昂贵了。于是为了珍视这份昂贵，只能锦上添花让它再烧钱再昂贵一些。
于是有5个网球场大小的可以伸缩的遮阳板被开发出来了，可以保证从正面到背面，温度降低300°以上：即保证面向太阳的一面超过100°，而面对镜子的一面在零下220°以下；不仅如此，飞船上的一个仪器还可以通过一个主动冷却系统冷却到零下258摄氏度以下，这将使它能够接触到一些更长的红外波长。
这五层薄膜材料每一层都有约300平米大小，每层的厚度除了第一层是50μm，其余都是25μm，同时将和18片六边形镜面一起折叠起来，一起塞进Ariane 5运载火箭里面。
最最重要的，是这个整体在经历剧烈的火箭发射和巨大的温差变化之后，依旧要保证完全收拢到成功展开的完整构型，这个过程，大概要持续15天时间。
断了线的风筝
JWST使用的是红外观测，所以要将周围的环境影响降到最低，这使得望远镜必须是同一方向运转；哈勃望远镜的运行轨道是距离地面大约570公里，而韦伯望远镜将会在发射后30天的时间到达在距离地球150万公里的地方工作。
我们叫这个点为第二拉格朗日点，这是太阳-地球的引力平衡点，韦伯望远镜始终躲在地球的背面，享受稳定的光照和温度，没有任何打扰的窥视整个宇宙。
但这同时也意味着，好比断了线的风筝一样，一旦望远镜入轨后出了问题，以目前人类载人航天技术的能力，基本上不可能派宇航员去修理。
说到这里，你大概能明白，为什么预算一超再超，发射时间一拖再拖的原因了。
最后，JWST将彻底改变我们探测和寻找宜居地外行星的方式。
为了实现这一点，它会持续观测一颗恒星，当其行星介于地球与恒星之间时，会阻挡恒星的光，望远镜会探测到亮度的轻微下降，首先，这可以帮助我们测量该行星的大小；
其次，特定波长的光会被原子和分子吸收，在反射光谱中留下独特的印记，频谱的波谷会告诉我们在该行星的大气中，什么分子的成分占主导。
如果探测到在1.15和1.4微米的两个波长有衰减，说明该行星的大气含有水蒸气，因为水分子会大量吸收这两个波段的光。
韦伯望远镜将能够读取这些“条形码”，以其极高的分辨率，寻找跟我们的地球极为相似的行星，证明在这个广袤的宇宙中，人类并不孤独。
当17世纪一位名叫伽利略的意大利人将自制的简单望远镜指向天空，第一次在镜头中亲眼看到月球表面的环形山和木星的卫星时，这一小小的举动彻底改变人类观测宇宙的方式。
未来50年，足够幸运的话，我们都能看到宇宙所呈现出来完全不同的面貌。在等待詹姆斯·韦伯望远镜升空的这段时间里，我们可以尽情期待它将带来的无限可能。
（虽然今年1月，美国联邦问责局一份审查报告估计，该望远镜在2020年11月组装完成的可能性只有12%。这显示在明年3月30日如期发射的概率已经非常小。）
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