作为一台强大的“时光机器”，詹姆斯·韦伯空间望远镜有能力回望大爆炸后2亿年也就是大概135亿年前宇宙的模样，观察早期恒星和星系的形成过程 。同时，它的超高红外敏感度会帮助天文学家将最早最小的星系同今天巨大的漩涡星系和椭圆星系进行比较，有助于我们理解数十亿年来星系如何聚合在一起 。詹姆斯·韦伯空间望远镜可以观察星际尘埃，这对研究恒星的诞生尤其重要，因为年轻的恒星往往就是诞生在巨大的尘埃云中 。此外，詹姆斯·韦伯空间望远镜还将对系外行星的大气成分进行研究，有可能在宇宙的其他角落发现生命存在的蛛丝马迹 。
镜面面积是望远镜的一个关键指标，一般来说，镜面越大，收集信号的能力就越强 。不过受火箭携带空间和发射重量等因素的限制，空间望远镜的镜面面积要比地基望远镜小得多 。哈勃空间望远镜虽然成就卓越，但是它的主镜尺寸只有2.4米，这也限制了它的探测能力 。在镜面面积这个指标上，詹姆斯·韦伯空间望远镜进行了革命性的提升 。它的主镜由18块六边形的镜面组成，直径达到6.5米，镜面面积是同为红外望远镜的斯皮策空间望远镜的镜面面积的50倍 。
不过，即便是直径6.5米这样对地基望远镜来说不太起眼的尺寸，对火箭来说还是太大，因此詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜面需要折叠起来才能装入火箭 。这台望远镜在被折叠后，高度为10.66米，宽度为4.5米，被放置在高度为17米、直径为5.4米的整流罩中 。在太空中展开后，望远镜的高度为8米，长度为21.2米，宽度为14.2米 。詹姆斯·韦伯空间望远镜在太空中的展开过程，也将是有史以来最复杂的太空展开过程，这是成功发射之后望远镜所要面临的另一个挑战 。
詹姆斯·韦伯空间望远镜将以前所未有的精度对宇宙进行观测，因此势必要配备前所未有的先进技术，技术攻关也是望远镜发射时间一再推迟的重要原因之一 。举例来说，这台望远镜需要在极低的温度下工作，因此冷却技术必须革新 。望远镜上网球场大小的结构就是用来遮蔽太阳和地球发出的热量 。遮光板内部主体是真空，利用了真空绝佳的绝热性质 。真空外的部分是隔热层，共有5层，其中的4层用来满足对望远镜冷却的要求，而余下的1层主要是为了在空间中的微小物体对其他4层隔热层造成损坏时起到补充作用 。隔热层的效果非常明显：望远镜会在-233℃的温度下工作，而望远镜的受热面温度约为85℃ 。
詹姆斯·韦伯空间望远镜另一个需要面对的问题是重量 。在镜面面积比哈勃空间望远镜有明显增加的情况下，如果使用相同的材料，势必会超出火箭的起飞重量 。因此，研究人员用铍来制造镜面 。这种金属很轻，并且可以在极低的温度下不变形 。同时镜面镀金，可以获得高红外反射率，这也是我们看到的詹姆斯·韦伯空间望远镜的照片都是金光闪闪的原因 。
好事多磨詹姆斯·韦伯空间望远镜成功发射升空，既令天文学界和关注太空探索的公众感到激动和欣慰，也多少让人觉得“出乎意料”，因为在望远镜的整个研发周期内，已经不知有多少次发射推迟的情况发生 。
20世纪90年代中期，在哈勃空间望远镜投入使用后不久，NASA就确定了“下一代空间望远镜”（NGST）的概念 。2002年，NASA正式立项并将望远镜更名为詹姆斯·韦伯空间望远镜 。詹姆斯·韦伯（James Webb）是NASA第二任局长，任期从1961年至1968年 。正是在他的直接领导下，美国开始了登月计划，迎来了空间科学发展的黄金时代 。
在NASA提出下一代空间望远镜概念的时候，望远镜的发射时间被定在2007年 。项目正式立项时，预计的发射时间是2010年 。然而，此后的研制过程可谓一波三折，发射时间表也一再更新 。2015年3月，NASA告知美国国会，詹姆斯·韦伯空间望远镜的发射时间是2018年10月 。但是就在同年9月，NASA就把发射时间推迟到2019年春季 。到了2019年3月，NASA给出的发射时间是不早于2020年5月 。没过多久，2019年6月28日，NASA把发射时间又直接向后推迟了10个月，定在2021年3月30日 。

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