韋伯望遠鏡：最強 “時光機”開啟天文新世界

彭丹妮

疏散星團NGC 3324于1826年由天文學家James Dunlop首次編目。從南半球可見，它位于船底座星云（NGC 3372）的西北角。

7月12日，是天文史上一個重要的日子：人類得以窺見迄今為止最深、最清晰的遙遠宇宙的紅外圖像。這些來自于宇宙形成初期的光以30萬公里/秒的速度穿行130億年后，終于被人類最強大的望遠鏡捕捉到。

這一天，美國宇航局（NASA）戈達德航天飛行中心發(fā)布了第一批詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（以下簡稱“韋伯”或者“JWST”）收集到的全彩圖像和光譜數(shù)據(jù)。韋伯圍繞著距離地球150萬公里之外的第二拉格朗日點L2旋轉(zhuǎn)。韋伯的“首秀”中，包含了首張深場圖——星系團SMACS 0723在內(nèi)的5張圖像。

紅外天文可以幫助人類看到更遠、更暗、更年老的星系，對于研究廣袤深空中各類星系的形成和演化以及整個宇宙的歷史都極為重要。正如NASA官網(wǎng)上所寫，“一個全新的紅外宇宙正在緩緩摘下它的神秘面紗?！表f伯望遠鏡將帶領(lǐng)天文學家重新去認識和理解宇宙。

經(jīng)過近30年的艱難發(fā)展，在2021年圣誕節(jié)一次激動人心的發(fā)射，以及在外太空中長達半年的緊張準備之后，韋伯太空望遠鏡終于傳回了一組完整的首批全彩圖像。

首張深場圖看上去像是五光十色的珠寶綴滿了黑天鵝絨毯，包含了有史以來人們在紅外波段觀察到的最暗的天體，以及成千上萬的星系團，其中的主角是編號為SMACS 0723的星系團，距離地球46億光年。這張照片捕捉到的最早的星光，距離宇宙大爆炸發(fā)生僅過去5億年。

137億年前，宇宙大爆炸為無盡的黑暗帶來了黎明的光，然后，第一顆恒星誕生，更多星系也隨之而來?！拔覀兙嚯x觸碰到‘黎明之光’只差幾億年了?！盢ASA局長比爾·尼爾森在7月12日的致辭中這樣表示。

因為光從遙遠的太空來到地球需要時間，因此，觀測太空就是凝視過去。觀察一顆10光年外的恒星，就是看到它10年前的樣子。一顆恒星或星系越遠，它的年齡就越大，這使每臺望遠鏡都成為一種“時間機器”。而韋伯空間望遠鏡無疑是人類迄今發(fā)明的時光機中，能夠“穿越”得更早、視力更好的那一個。

中國科學院國家天文臺研究員、博導戴昱的研究方向主要是星系形成與演化，她告訴《中國新聞周刊》，以她研究的領(lǐng)域來說，天文學家雖然有很多數(shù)值模擬可以推演星系的變化過程，但是當抽象推論中存在的東西真的肉眼可見時，這種感覺仍然是非常震撼的。

這次發(fā)布的5張照片之一、“斯蒂芬五重奏”中，四個星系碰撞、分離。這幅大片是韋伯目前為止拍下的最大圖像，超過1.5億像素，由近1000個獨立圖像文件構(gòu)成。人類發(fā)現(xiàn)這個位于2.9億光年外的致密星系團結(jié)構(gòu)已經(jīng)有145年了，但這次韋伯以其超高清的分辨率，使得戴昱可以清晰看到被星系碰撞出的紅色塵埃帶中的新生恒星。

她形容，這感覺就像過去通過樹灑下的陰影，人們推測這棵樹上應該會有一根未被看見的樹枝，而現(xiàn)在，這根樹枝就清清楚楚地在照片中被證實、呈現(xiàn)出來。

這些圖片中，清華大學天體物理學博士王卓驍特別介紹了“系外行星 WASP-96b”這張。這張圖片顯示了距地球1150光年外、于2014年發(fā)現(xiàn)的一顆系外行星WASP-96b的行星大氣成分。這是目前得到的最精細的行星大氣光譜。另外，韋伯記錄到的數(shù)值波動還反映出包裹在行星表層的大氣層中含有云和霾的特征。

氧氣和甲烷的同時存在往往是生命存在的重要信號。不管是氧氣和甲烷，抑或是氨氣，這些氣體都有它們獨特的分子吸收光譜，且?guī)缀醵荚诩t外波段，吸收信號又極其微弱。而韋伯都可以幫助人類探測到它們的光譜信號。但這些，絕對只是開胃小菜，韋伯團隊的成員、美國康奈爾大學天體生物學家喬納森·盧寧說，我們還將會看到更多，“主菜將在未來數(shù)月和數(shù)年內(nèi)推出” 。

韋伯望遠鏡的發(fā)射主要為了四個科學目標：尋找宇宙大爆炸后第一批形成的恒星的光，這也是其最受關(guān)注的科學目標之一，將直接觀測此前人類從未觀測過的一部分空間和時間;研究星系的形成和演化;了解恒星和行星系統(tǒng)的形成;以及研究行星系統(tǒng)和生命起源。

“這基本上涵蓋了天文學領(lǐng)域所有重要的研究分支?！蓖踝框斦f，所以，這次發(fā)布的幾張圖，無疑是一個“炸裂”的開場，預示著未來更多重要的新發(fā)現(xiàn)。

中科院國家天文臺研究員茍利軍告訴《中國新聞周刊》，天文學是一個實測性的學科，設(shè)備可以說最為關(guān)鍵。他記得，一位有名的美國科學家曾經(jīng)說過，95%的天文學發(fā)現(xiàn)，尤其是突破性發(fā)現(xiàn)，都得益于觀測設(shè)備的提升，剩下的5%，才依靠的是智力上的突破。

不同波段的望遠鏡需要配合使用，并不是有了韋伯這臺強大的望遠鏡，就可以回答所有天文學界的問題，比如，需要X射線望遠鏡來觀察高能天體物理現(xiàn)象。不過，毋庸置疑的是，天文學家們都認為，韋伯望遠鏡將會開啟一個全新的天文學時代。

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。本文圖/NASA、ESA、CSA、STScI

數(shù)據(jù)顯示，于2014年發(fā)現(xiàn)的這顆距地球1150光年外的系外行星WASP-96b擁有大氣層。這是目前得到的最精細的行星大氣光譜。

因為宇宙在膨脹，那些最早期誕生的恒星和星系正飛快地遠離地球，來自最遙遠、最早的星系和恒星的光，曾經(jīng)是紫外線和可見光，現(xiàn)在是肉眼看不見的紅外“熱”輻射。來自二氧化碳、氧和其他分子的特征輻射也是如此。這種現(xiàn)象在學界被稱為“紅移現(xiàn)象”。一位天文學家作了一個形象的比喻：在一個代表早期宇宙的氣球上面畫一條線，這條線的長度可以當作是早期宇宙光子的波長，當氣球吹大10倍，再去看那條線現(xiàn)在的長度，就是光子經(jīng)過宇宙膨脹后的波長。韋伯望遠鏡觀測的光波長在0.6～28微米之間，涵蓋了可見光到中紅外光。

多年以來，在宇宙早期星系的觀測上，天文學家們的老朋友是1990年上天的人類第一座太空望遠鏡“哈勃望遠鏡”。目前人類觀測到的宇宙最古老星系GN-z11就是由它拍攝到的，但哈勃在紅外波段的觀測仍然十分有限。哈勃主要探測的是光譜上波長從0.1～0.8微米的紫外線和可見光，以及部分波長在0.8到2.5微米的紅外光。

屬于歐洲空間局、曾在2009～2013年間運行的赫歇爾空間天文臺，實質(zhì)上是一個太空望遠鏡，可以捕捉紅外波段。但科學家們指出，韋伯巨大的鏡子和一整套靈敏的儀器，意味著它的發(fā)現(xiàn)將超過任何以前的紅外太空望遠鏡。另一個已于2020年退役的、美國國家航空暨太空總署發(fā)射的太空紅外望遠鏡——“斯皮策”空間望遠鏡覆蓋波長為3～180微米，但其鏡面直徑僅為0.85米，觀測能力有限。

另一方面，戴昱指出，以這次發(fā)布的5張照片中的第一張為例，被稱為“韋伯第一深場”圖的宇宙空間里面包含了數(shù)以萬計的星系。在這一片觀測區(qū)域，韋伯用12.5小時曝光，就達到了哈勃望遠鏡上百小時曝光的效果，而且看起來更亮、信息更豐富，這是望遠鏡靈敏度和觀測效率的巨大進步。

這一系列觀測雄心的實現(xiàn)，是建立在韋伯強大的技術(shù)配置之上的。為了能夠看得更遠，韋伯的主鏡比哈勃要大近3倍。韋伯望遠鏡使用的主鏡直徑為6.5米，是有史以來送入太空最大的望遠鏡。事實上，正因為它直徑很大，必須通過折疊的方式才能放進火箭發(fā)射艙中。韋伯在太空中打開需要兩周時間，就像把做好的折紙一步步還原。

韋伯的主鏡由18塊1.3米的六邊形鏡片組成，用金來鍍膜的主鏡使其看起來金光閃閃，展開之后，像是太空中的一朵向日葵。2011年，第一面六邊形主鏡生產(chǎn)完畢，耗時6年之久。主鏡的品控要求極高，每面主鏡可以允許的最大誤差僅為25納米，誤差之小可以這么理解：如果把這面鏡片放大到月球的大小，其最大起伏將不能超過8厘米。

展開之后，在太空微重力環(huán)境中的組裝，則是另一個巨大的挑戰(zhàn)。王卓驍解釋，在微重力環(huán)境下要將6.5米這么大的復雜儀器組裝起來，本身就是很難以想象的任務。而光學部件組裝的精度要求非常高，韋伯要在10納米精度上調(diào)試鏡片位置，就相當于誤差不能超過頭發(fā)絲萬分之一的尺度。因此，可以想見，需要非常多的技術(shù)工程來保證它的實現(xiàn)。

正如高精尖項目的發(fā)展都會帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游的工業(yè)發(fā)展一樣，韋伯望遠鏡與紅外技術(shù)之間也是相互促進的關(guān)系。王卓驍解釋說，韋伯項目還誕生了一些獨特的工業(yè)技術(shù)，比如它的遮陽板：這種柔軟、輕薄、不漏光且能抵御兩側(cè)200多℃溫差的材料，就是首次因韋伯而制造的。

為了避免自身輻射產(chǎn)生的紅外光子造成的干擾，以及保護它不受太陽光的照射，韋伯望遠鏡攜帶了五層輕薄的聚酰亞胺遮陽板。遮陽板發(fā)射時候是折疊的，到了太空中，每一層都需要在合適的角度展開成一個網(wǎng)球場大小，與韋伯自帶的制冷設(shè)備一起維持儀器運行所需要的零下223℃超低溫環(huán)境。

美國俄亥俄州立大學天文學系助理教授王吉今年年初撰文寫道，韋伯從發(fā)射升空到最后抵達目的地，中間有344個可能導致發(fā)射失敗的關(guān)鍵節(jié)點，其中75%可能失敗的節(jié)點都集中在韋伯那網(wǎng)球場大的遮陽板上。就算把每個節(jié)點反復打磨到盡善盡美，使節(jié)點成功率達到99%，韋伯望遠鏡抵達拉格朗日點并順利運作的成功率也只有3%。

更困難的是，即使它出了故障，也沒有機會再維修。哈勃望遠鏡在距離地球只有340英里，亦即547公里的近地軌道附近運轉(zhuǎn)，然而，韋伯望遠鏡圍繞著距地球150萬公里之外的第二拉格朗日點L2旋轉(zhuǎn)。這個點飛行器繞公轉(zhuǎn)軌道飛行的離心力與地球和太陽的引力相互抵消，是一個平衡點。該點與地球距離是地月距離的四倍左右，遠超出人類目前可以抵達的上限，這就決定了韋伯需要自主運行，這也使得科學家們在韋伯的組裝和測試過程中顯得尤為小心謹慎。

“幸運的話，這架望遠鏡至少可以在太空中工作10年。”NASA戈達德航天中心高級天體物理學家、2006年諾貝爾物理學獎得主約翰·馬瑟曾在2016年時介紹。

這一刻，天文學家們已經(jīng)等待了太久。

1989年9月，距離“哈勃”發(fā)射還有半年時間，美國空間望遠鏡研究所和美國宇航局匯集了130多名天文學家和工程師，共同主辦了“下一代空間望遠鏡”研討會。會議研究分析了2005年在高地球軌道上建造10米口徑近紅外望遠鏡或在月球表面建造16米口徑望遠鏡的可行性。

1996年，由美國天文學家艾倫·德雷斯勒領(lǐng)導的委員會向美國宇航局正式提議研制一款紅外空間望遠鏡，以彌補哈勃的不足。韋伯望遠鏡項目由NASA發(fā)起，歐洲空間局和加拿大空間局共同參與研制。

次年，也就是1997年，韋伯望遠鏡立項時，其設(shè)定的發(fā)射日期是在2007年，此后其預定的發(fā)射日期多次延宕。韋伯研發(fā)的項目經(jīng)費也如滾雪球般不斷上漲。這一耗時25年的太空望遠鏡成了人類迄今建造的最貴望遠鏡，造價是史上最貴火星探測任務“毅力號”火星車的3倍，耗費近100億美元，甚至擠掉美國宇航局多個大型項目?！蹲匀弧冯s志曾在2010年一篇文章中將其稱為“吞噬天文學的望遠鏡”，其巨額的開銷已經(jīng)影響到了其他天體物理學研究。

因為其涉獵的研究目標和領(lǐng)域之宏大，韋伯直接影響到全球眾多天文學家的學術(shù)研究方向甚至個人職業(yè)規(guī)劃。因而天文學界有句話說，韋伯望遠鏡“too big to fail（太重要以至于不能失?。保麝耪f，因為太多學者、太多相關(guān)的研究都要倚仗它，并且以此為前提做了很多年的準備。

2009～2013年，當戴昱還在哈佛大學史密松天體物理中心攻讀博士學位時，她的導師就提醒她，要想一些有競爭力的課題，等到韋伯望遠鏡發(fā)射之后，可以向NASA申請觀測時間。而她也知道有同事幾年前申請到了韋伯項目組的博士后，后來因為該望遠鏡推遲發(fā)射，沒有數(shù)據(jù)可以研究，只得重新找工作。

2021年3月，NASA公布了韋伯望遠鏡第一年的 “周期一”科學計劃。NASA從來自44個國家的科學家提交的1000多份項目計劃書中選出了286份，這些團隊將分享韋伯望遠鏡第一年6000個小時的觀測數(shù)據(jù)。戴昱與她的合作者們一起申請到了其中一項課題。她非常期待她所在團隊申請的觀測時間可以盡快被提上日程，然后這些數(shù)據(jù)下載下來之后，可以著手進一步的分析。

為了讓科學家可以迅速學會使用和掌握這臺儀器，充分發(fā)揮它的科學潛力，韋伯項目和美國太空望遠鏡科學研究院選擇了一些早期科學計劃，在韋伯運營后的前5個月進行觀測。據(jù)《紐約時報》報道，NASA“早期發(fā)布科學計劃”的研究結(jié)果將在接下來的六個月內(nèi)公布。7月14日，NASA發(fā)布了新的一批數(shù)據(jù)，包括木星以及幾個小行星的圖像和光譜。這些數(shù)據(jù)表明，韋伯能夠追蹤太陽系目標行星，所提供的數(shù)據(jù)細節(jié)也是前所未有的。

星系團SMACS 0723充滿了數(shù)千個星系——包括在紅外線中觀察到的最微弱的物體。

與此同時，近二十年來，中國的天文觀測事業(yè)也獲得了長足進步，包括郭守敬望遠鏡、“中國天眼”射電望遠鏡FAST、慧眼空間望遠鏡等一系列知名望遠鏡項目落成。中國空間站工程的巡天光學望遠鏡，預計在2024年前后發(fā)射進入近地軌道，探測的波段主要為可見光。屆時，它將和中國空間站在同一個軌道上飛行，目前規(guī)劃的運行期為10年。

戴昱分析說，中國天文望遠鏡的探測范圍主要集中在光學、射電和X射線三個波段。目前中國也還沒有建造紅外太空望遠鏡的計劃。在紅外天文方向，中國在儀器研發(fā)的人才儲備、紅外探測器的精度等方面與國外還有著不小差距。

目前，無論是空間紅外望遠鏡還是地基紅外望遠鏡，歐洲空間局和NASA都是主導玩家。茍利軍告訴《中國新聞周刊》，即將要發(fā)射的空間站工程巡天望遠鏡是國內(nèi)第一個光學波段的空間望遠鏡，被稱為“中國哈勃”。目前，中國有一些地面的近紅外探測器，但還缺乏支撐紅外波段天文學應用的技術(shù)能力。

韋伯這一項目也能給中國的大科學項目一些啟示。在戴昱看來，韋伯項目之所以能成功，一個重要原因在于其對天文學研究的重大意義被確認后，即在NASA同期項目中獲得了最高優(yōu)先級。當完成科學價值論證后，就要不懈去實現(xiàn)它，這個過程需要決策層的魄力及執(zhí)行者的堅持。2011年以來一直擔任韋伯望遠鏡項目經(jīng)理的比爾·奧克斯表示，韋伯的背后有著大約2萬名工程師、天文學家、技術(shù)人員和官員的共同努力。

王卓驍則補充，大科學工程的統(tǒng)籌、設(shè)計一定要長遠考慮，因為當它投入使用的時候已經(jīng)是未來10年甚至是20年后，所以，不管是科學研究目標，還是項目的技術(shù)設(shè)計，都要具有前瞻性。

（實習生杜悉對本文亦有貢獻）