彭丹妮

疏散星團(tuán)NGC 3324于1826年由天文學(xué)家James Dunlop首次編目。從南半球可見(jiàn)，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(gè)重要的日子：人類(lèi)得以窺見(jiàn)迄今為止最深、最清晰的遙遠(yuǎn)宇宙的紅外圖像。這些來(lái)自于宇宙形成初期的光以30萬(wàn)公里/秒的速度穿行130億年后，終于被人類(lèi)最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡捕捉到。

這一天，美國(guó)宇航局（NASA）戈達(dá)德航天飛行中心發(fā)布了第一批詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(wàn)公里之外的第二拉格朗日點(diǎn)L2旋轉(zhuǎn)。韋伯的“首秀”中，包含了首張深場(chǎng)圖——星系團(tuán)SMACS 0723在內(nèi)的5張圖像。

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

經(jīng)過(guò)近30年的艱難發(fā)展，在2021年圣誕節(jié)一次激動(dòng)人心的發(fā)射，以及在外太空中長(zhǎng)達(dá)半年的緊張準(zhǔn)備之后，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡終于傳回了一組完整的首批全彩圖像。

首張深場(chǎng)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(lái)人們?cè)诩t外波段觀察到的最暗的天體，以及成千上萬(wàn)的星系團(tuán)，其中的主角是編號(hào)為SMACS 0723的星系團(tuán)，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(guò)去5億年。

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

因?yàn)楣鈴倪b遠(yuǎn)的太空來(lái)到地球需要時(shí)間，因此，觀測(cè)太空就是凝視過(guò)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(yuǎn)，它的年齡就越大，這使每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都成為一種“時(shí)間機(jī)器”。而韋伯空間望遠(yuǎn)鏡無(wú)疑是人類(lèi)迄今發(fā)明的時(shí)光機(jī)中，能夠“穿越”得更早、視力更好的那一個(gè)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、博導(dǎo)戴昱的研究方向主要是星系形成與演化，她告訴《中國(guó)新聞周刊》，以她研究的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，天文學(xué)家雖然有很多數(shù)值模擬可以推演星系的變化過(guò)程，但是當(dāng)抽象推論中存在的東西真的肉眼可見(jiàn)時(shí)，這種感覺(jué)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(gè)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(guò)1.5億像素，由近1000個(gè)獨(dú)立圖像文件構(gòu)成。人類(lèi)發(fā)現(xiàn)這個(gè)位于2.9億光年外的致密星系團(tuán)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(jué)就像過(guò)去通過(guò)樹(shù)灑下的陰影，人們推測(cè)這棵樹(shù)上應(yīng)該會(huì)有一根未被看見(jiàn)的樹(shù)枝，而現(xiàn)在，這根樹(shù)枝就清清楚楚地在照片中被證實(shí)、呈現(xiàn)出來(lái)。

這些圖片中，清華大學(xué)天體物理學(xué)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(xì)的行星大氣光譜。另外，韋伯記錄到的數(shù)值波動(dòng)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(shí)存在往往是生命存在的重要信號(hào)。不管是氧氣和甲烷，抑或是氨氣，這些氣體都有它們獨(dú)特的分子吸收光譜，且?guī)缀醵荚诩t外波段，吸收信號(hào)又極其微弱。而韋伯都可以幫助人類(lèi)探測(cè)到它們的光譜信號(hào)。但這些，絕對(duì)只是開(kāi)胃小菜，韋伯團(tuán)隊(duì)的成員、美國(guó)康奈爾大學(xué)天體生物學(xué)家喬納森·盧寧說(shuō)，我們還將會(huì)看到更多，“主菜將在未來(lái)數(shù)月和數(shù)年內(nèi)推出” 。

韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射主要為了四個(gè)科學(xué)目標(biāo)：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(xué)目標(biāo)之一，將直接觀測(cè)此前人類(lèi)從未觀測(cè)過(guò)的一部分空間和時(shí)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(xué)領(lǐng)域所有重要的研究分支。”王卓驍說(shuō)，所以，這次發(fā)布的幾張圖，無(wú)疑是一個(gè)“炸裂”的開(kāi)場(chǎng)，預(yù)示著未來(lái)更多重要的新發(fā)現(xiàn)。

中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍告訴《中國(guó)新聞周刊》，天文學(xué)是一個(gè)實(shí)測(cè)性的學(xué)科，設(shè)備可以說(shuō)最為關(guān)鍵。他記得，一位有名的美國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，95%的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，尤其是突破性發(fā)現(xiàn)，都得益于觀測(cè)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(yuǎn)鏡需要配合使用，并不是有了韋伯這臺(tái)強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，就可以回答所有天文學(xué)界的問(wèn)題，比如，需要X射線望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察高能天體物理現(xiàn)象。不過(guò)，毋庸置疑的是，天文學(xué)家們都認(rèn)為，韋伯望遠(yuǎn)鏡將會(huì)開(kāi)啟一個(gè)全新的天文學(xué)時(shí)代。

詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)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(xì)的行星大氣光譜。

因?yàn)橛钪嬖谂蛎?，那些最早期誕生的恒星和星系正飛快地遠(yuǎn)離地球，來(lái)自最遙遠(yuǎn)、最早的星系和恒星的光，曾經(jīng)是紫外線和可見(jiàn)光，現(xiàn)在是肉眼看不見(jiàn)的紅外“熱”輻射。來(lái)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(xué)界被稱(chēng)為“紅移現(xiàn)象”。一位天文學(xué)家作了一個(gè)形象的比喻：在一個(gè)代表早期宇宙的氣球上面畫(huà)一條線，這條線的長(zhǎng)度可以當(dāng)作是早期宇宙光子的波長(zhǎng)，當(dāng)氣球吹大10倍，再去看那條線現(xiàn)在的長(zhǎng)度，就是光子經(jīng)過(guò)宇宙膨脹后的波長(zhǎng)。韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的光波長(zhǎng)在0.6～28微米之間，涵蓋了可見(jiàn)光到中紅外光。

多年以來(lái)，在宇宙早期星系的觀測(cè)上，天文學(xué)家們的老朋友是1990年上天的人類(lèi)第一座太空望遠(yuǎn)鏡“哈勃望遠(yuǎn)鏡”。目前人類(lèi)觀測(cè)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(cè)仍然十分有限。哈勃主要探測(cè)的是光譜上波長(zhǎng)從0.1～0.8微米的紫外線和可見(jiàn)光，以及部分波長(zhǎng)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(yùn)行的赫歇爾空間天文臺(tái)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡，可以捕捉紅外波段。但科學(xué)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(guò)任何以前的紅外太空望遠(yuǎn)鏡。另一個(gè)已于2020年退役的、美國(guó)國(guó)家航空暨太空總署發(fā)射的太空紅外望遠(yuǎn)鏡——“斯皮策”空間望遠(yuǎn)鏡覆蓋波長(zhǎng)為3～180微米，但其鏡面直徑僅為0.85米，觀測(cè)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(chēng)為“韋伯第一深場(chǎng)”圖的宇宙空間里面包含了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的星系。在這一片觀測(cè)區(qū)域，韋伯用12.5小時(shí)曝光，就達(dá)到了哈勃望遠(yuǎn)鏡上百小時(shí)曝光的效果，而且看起來(lái)更亮、信息更豐富，這是望遠(yuǎn)鏡靈敏度和觀測(cè)效率的巨大進(jìn)步。

這一系列觀測(cè)雄心的實(shí)現(xiàn)，是建立在韋伯強(qiáng)大的技術(shù)配置之上的。為了能夠看得更遠(yuǎn)，韋伯的主鏡比哈勃要大近3倍。韋伯望遠(yuǎn)鏡使用的主鏡直徑為6.5米，是有史以來(lái)送入太空最大的望遠(yuǎn)鏡。事實(shí)上，正因?yàn)樗睆胶艽螅仨毻ㄟ^(guò)折疊的方式才能放進(jìn)火箭發(fā)射艙中。韋伯在太空中打開(kāi)需要兩周時(shí)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(lái)鍍膜的主鏡使其看起來(lái)金光閃閃，展開(kāi)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(shí)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(guò)8厘米。

展開(kāi)之后，在太空微重力環(huán)境中的組裝，則是另一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。王卓驍解釋?zhuān)谖⒅亓Νh(huán)境下要將6.5米這么大的復(fù)雜儀器組裝起來(lái)，本身就是很難以想象的任務(wù)。而光學(xué)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(dāng)于誤差不能超過(guò)頭發(fā)絲萬(wàn)分之一的尺度。因此，可以想見(jiàn)，需要非常多的技術(shù)工程來(lái)保證它的實(shí)現(xiàn)。

正如高精尖項(xiàng)目的發(fā)展都會(huì)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的工業(yè)發(fā)展一樣，韋伯望遠(yuǎn)鏡與紅外技術(shù)之間也是相互促進(jìn)的關(guān)系。王卓驍解釋說(shuō)，韋伯項(xiàng)目還誕生了一些獨(dú)特的工業(yè)技術(shù)，比如它的遮陽(yáng)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(hù)它不受太陽(yáng)光的照射，韋伯望遠(yuǎn)鏡攜帶了五層輕薄的聚酰亞胺遮陽(yáng)板。遮陽(yáng)板發(fā)射時(shí)候是折疊的，到了太空中，每一層都需要在合適的角度展開(kāi)成一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大小，與韋伯自帶的制冷設(shè)備一起維持儀器運(yùn)行所需要的零下223℃超低溫環(huán)境。

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)系助理教授王吉今年年初撰文寫(xiě)道，韋伯從發(fā)射升空到最后抵達(dá)目的地，中間有344個(gè)可能導(dǎo)致發(fā)射失敗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其中75%可能失敗的節(jié)點(diǎn)都集中在韋伯那網(wǎng)球場(chǎng)大的遮陽(yáng)板上。就算把每個(gè)節(jié)點(diǎn)反復(fù)打磨到盡善盡美，使節(jié)點(diǎn)成功率達(dá)到99%，韋伯望遠(yuǎn)鏡抵達(dá)拉格朗日點(diǎn)并順利運(yùn)作的成功率也只有3%。

更困難的是，即使它出了故障，也沒(méi)有機(jī)會(huì)再維修。哈勃望遠(yuǎn)鏡在距離地球只有340英里，亦即547公里的近地軌道附近運(yùn)轉(zhuǎn)，然而，韋伯望遠(yuǎn)鏡圍繞著距地球150萬(wàn)公里之外的第二拉格朗日點(diǎn)L2旋轉(zhuǎn)。這個(gè)點(diǎn)飛行器繞公轉(zhuǎn)軌道飛行的離心力與地球和太陽(yáng)的引力相互抵消，是一個(gè)平衡點(diǎn)。該點(diǎn)與地球距離是地月距離的四倍左右，遠(yuǎn)超出人類(lèi)目前可以抵達(dá)的上限，這就決定了韋伯需要自主運(yùn)行，這也使得科學(xué)家們?cè)陧f伯的組裝和測(cè)試過(guò)程中顯得尤為小心謹(jǐn)慎。

“幸運(yùn)的話，這架望遠(yuǎn)鏡至少可以在太空中工作10年。”NASA戈達(dá)德航天中心高級(jí)天體物理學(xué)家、2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主約翰·馬瑟曾在2016年時(shí)介紹。

這一刻，天文學(xué)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(shí)間，美國(guó)空間望遠(yuǎn)鏡研究所和美國(guó)宇航局匯集了130多名天文學(xué)家和工程師，共同主辦了“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”研討會(huì)。會(huì)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(yuǎn)鏡或在月球表面建造16米口徑望遠(yuǎn)鏡的可行性。

1996年，由美國(guó)天文學(xué)家艾倫·德雷斯勒領(lǐng)導(dǎo)的委員會(huì)向美國(guó)宇航局正式提議研制一款紅外空間望遠(yuǎn)鏡，以彌補(bǔ)哈勃的不足。韋伯望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)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(yuǎn)鏡立項(xiàng)時(shí)，其設(shè)定的發(fā)射日期是在2007年，此后其預(yù)定的發(fā)射日期多次延宕。韋伯研發(fā)的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)也如滾雪球般不斷上漲。這一耗時(shí)25年的太空望遠(yuǎn)鏡成了人類(lèi)迄今建造的最貴望遠(yuǎn)鏡，造價(jià)是史上最貴火星探測(cè)任務(wù)“毅力號(hào)”火星車(chē)的3倍，耗費(fèi)近100億美元，甚至擠掉美國(guó)宇航局多個(gè)大型項(xiàng)目。《自然》雜志曾在2010年一篇文章中將其稱(chēng)為“吞噬天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡”，其巨額的開(kāi)銷(xiāo)已經(jīng)影響到了其他天體物理學(xué)研究。

因?yàn)槠渖娅C的研究目標(biāo)和領(lǐng)域之宏大，韋伯直接影響到全球眾多天文學(xué)家的學(xué)術(shù)研究方向甚至個(gè)人職業(yè)規(guī)劃。因而天文學(xué)界有句話說(shuō)，韋伯望遠(yuǎn)鏡“too big to fail（太重要以至于不能失?。保麝耪f(shuō)，因?yàn)樘鄬W(xué)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(zhǔn)備。

2009～2013年，當(dāng)戴昱還在哈佛大學(xué)史密松天體物理中心攻讀博士學(xué)位時(shí)，她的導(dǎo)師就提醒她，要想一些有競(jìng)爭(zhēng)力的課題，等到韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之后，可以向NASA申請(qǐng)觀測(cè)時(shí)間。而她也知道有同事幾年前申請(qǐng)到了韋伯項(xiàng)目組的博士后，后來(lái)因?yàn)樵撏h(yuǎn)鏡推遲發(fā)射，沒(méi)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(yuǎn)鏡第一年的 “周期一”科學(xué)計(jì)劃。NASA從來(lái)自44個(gè)國(guó)家的科學(xué)家提交的1000多份項(xiàng)目計(jì)劃書(shū)中選出了286份，這些團(tuán)隊(duì)將分享韋伯望遠(yuǎn)鏡第一年6000個(gè)小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。戴昱與她的合作者們一起申請(qǐng)到了其中一項(xiàng)課題。她非常期待她所在團(tuán)隊(duì)申請(qǐng)的觀測(cè)時(shí)間可以盡快被提上日程，然后這些數(shù)據(jù)下載下來(lái)之后，可以著手進(jìn)一步的分析。

為了讓科學(xué)家可以迅速學(xué)會(huì)使用和掌握這臺(tái)儀器，充分發(fā)揮它的科學(xué)潛力，韋伯項(xiàng)目和美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究院選擇了一些早期科學(xué)計(jì)劃，在韋伯運(yùn)營(yíng)后的前5個(gè)月進(jìn)行觀測(cè)。據(jù)《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道，NASA“早期發(fā)布科學(xué)計(jì)劃”的研究結(jié)果將在接下來(lái)的六個(gè)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(gè)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(yáng)系目標(biāo)行星，所提供的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)也是前所未有的。

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

與此同時(shí)，近二十年來(lái)，中國(guó)的天文觀測(cè)事業(yè)也獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，包括郭守敬望遠(yuǎn)鏡、“中國(guó)天眼”射電望遠(yuǎn)鏡FAST、慧眼空間望遠(yuǎn)鏡等一系列知名望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目落成。中國(guó)空間站工程的巡天光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)在2024年前后發(fā)射進(jìn)入近地軌道，探測(cè)的波段主要為可見(jiàn)光。屆時(shí)，它將和中國(guó)空間站在同一個(gè)軌道上飛行，目前規(guī)劃的運(yùn)行期為10年。

戴昱分析說(shuō)，中國(guó)天文望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)范圍主要集中在光學(xué)、射電和X射線三個(gè)波段。目前中國(guó)也還沒(méi)有建造紅外太空望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃。在紅外天文方向，中國(guó)在儀器研發(fā)的人才儲(chǔ)備、紅外探測(cè)器的精度等方面與國(guó)外還有著不小差距。

目前，無(wú)論是空間紅外望遠(yuǎn)鏡還是地基紅外望遠(yuǎn)鏡，歐洲空間局和NASA都是主導(dǎo)玩家。茍利軍告訴《中國(guó)新聞周刊》，即將要發(fā)射的空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡是國(guó)內(nèi)第一個(gè)光學(xué)波段的空間望遠(yuǎn)鏡，被稱(chēng)為“中國(guó)哈勃”。目前，中國(guó)有一些地面的近紅外探測(cè)器，但還缺乏支撐紅外波段天文學(xué)應(yīng)用的技術(shù)能力。

韋伯這一項(xiàng)目也能給中國(guó)的大科學(xué)項(xiàng)目一些啟示。在戴昱看來(lái)，韋伯項(xiàng)目之所以能成功，一個(gè)重要原因在于其對(duì)天文學(xué)研究的重大意義被確認(rèn)后，即在NASA同期項(xiàng)目中獲得了最高優(yōu)先級(jí)。當(dāng)完成科學(xué)價(jià)值論證后，就要不懈去實(shí)現(xiàn)它，這個(gè)過(guò)程需要決策層的魄力及執(zhí)行者的堅(jiān)持。2011年以來(lái)一直擔(dān)任韋伯望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目經(jīng)理的比爾·奧克斯表示，韋伯的背后有著大約2萬(wàn)名工程師、天文學(xué)家、技術(shù)人員和官員的共同努力。

王卓驍則補(bǔ)充，大科學(xué)工程的統(tǒng)籌、設(shè)計(jì)一定要長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，因?yàn)楫?dāng)它投入使用的時(shí)候已經(jīng)是未來(lái)10年甚至是20年后，所以，不管是科學(xué)研究目標(biāo)，還是項(xiàng)目的技術(shù)設(shè)計(jì)，都要具有前瞻性。

（實(shí)習(xí)生杜悉對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）