除了仰望星空，我們還能如何觀察宇宙？

太空望遠鏡是答案之一。

4月28日，NASA宣布，韋伯望遠鏡已經完成了鏡面校準，并公布了它的測試圖像。

◎ 韋伯望遠鏡公開的測試圖像隻展示了它拍攝成果的一部分。 圖片來源：Twitter@NASA Webb Telescope

5月2日的新聞發布會上，NASA的韋伯天文台項目科學家麥克埃爾溫（Michael McElwain）表示：

「這些是太空望遠鏡能拍攝到的最清晰紅外圖像。」

在去年的12月25日，由美國宇航局、歐洲航天局和加拿大航天局合作的新太空望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡順利升空。

它具備更高的紅外分辨率和靈敏度，能夠觀測到亮度更微弱的星體，是目前為止，紅外線探測能力最強的太空望遠鏡。

換句話說，它是當下最強大的望遠鏡。

韋伯望遠鏡有能力觀測到最遙遠和最原始的星系的微弱信号，幫助科學家們尋找宇宙大爆炸初期留下的痕迹，研究宇宙曆史演變的每個階段。

可以想見，在不遠的将來，韋伯望遠鏡将進一步影響人類的自然觀，帶領空間天文學進入一個新的時代。

地球之外，還有我們所熟知的哈勃太空望遠鏡。

它與韋伯這兩架太空望遠鏡領域的最尖端科技，是我們探索宇宙奧秘的最前沿工具。

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韋伯：新的征程

觀測星系發出的紅外線，對太空望遠鏡來說是一項重要任務。

在宇宙中，有許多星系在紅外線波段的檢測下，呈現出非常活躍的态勢，而在可見光波段的活動則非常微弱，幾乎不可見。

◎ 紅外線指的是波長介于微波與可見光之間的電磁波，是一種不可見光，有溫度的物體會發出不同波長的紅外線。圖為可見光的光譜，波長在最左側數值外的即為紅外線。 圖片來源：HOTWORX

然而，哈勃望遠鏡隻能進行一些紅外線的基礎探測工作。

這就意味着，研發一台具備強力紅外線探測能力的太空望遠鏡迫在眉睫。

韋伯望遠鏡應運而生。

從一開始，韋伯望遠鏡的定位就很明确：一台能最大限度探測紅外線的太空望遠鏡。

而它具體的四大目标，也多是圍繞着紅外線觀測展開：

第一，捕捉宇宙大爆炸後形成的第一批恒星和星系的光。

目前，宇宙科學家們普遍認為，最古老的恒星和星系是在宇宙大爆炸之後一億年左右形成的。

但距離它們的誕生過去了數百億年，它們本身早已毀滅，隻剩下光的殘影留在宇宙中。

但随着宇宙不斷膨脹，它們所發出的光線會越來越長，越來越接近紅外線——這種現象也被稱為「宇宙學紅移」。

隻有捕捉到這些光線，我們才能看到，發出光的恒星和星系的全貌。

而這，正是韋伯望遠鏡的專長。

韋伯望遠鏡的反射鏡能夠将這些紅外線全盤接收，并發送到其配備的紅外儀器上，進行具體分析。

而對于這些早期星系的研究，将為我們還原宇宙嬰兒期的模樣，提供不可或缺的信息。

第二，總結星系的形成和演化規律。

提到星系，第一時間躍入你腦海的，也許是一個巨大的螺旋。

◎ 哈勃望遠鏡拍攝的螺旋狀星系。 圖片來源：NASA

但如果把視角移向非常遙遠的星系，你會發現，這些星系大多是小而結塊的。

我們熟悉的螺旋，是在數億年中慢慢形成的，這一曆程中，包括了小星系之間的相互碰撞。

可以說，幾乎所有我們看到的大型星系，都經曆過至少一次的碰撞合并，才演變為現在的模樣。

◎ 兩個星系在碰撞之中。 圖片來源：NASA

韋伯望遠鏡将收集早期星系的數據，與現在的星系進行對比，這将為我們解答，星系到底是如何演化的。

而掌握星系的演化規律，不僅有助于我們進一步了解自己的家園——銀河系，還能幫助我們回答那個古老的問題：

茫茫宇宙之中，人類将何去何從？

第三，總結恒星和行星形成的過程。

哈勃望遠鏡曾經拍攝過一張著名的照片：創世之柱。

◎ 創世之柱。 圖片來源：NASA

雖然照片上顯示的星星數量并不多，但實際上，圖中位置存在有無數顆明亮的年輕恒星。

隻是由于灰塵的存在，攝像機無法接收到來自這些恒星的光線，将之顯示在照片上。

後來，哈勃望遠鏡使用了近紅外攝像機，再一次地拍攝了創世之柱。

這次，恒星們瑰麗的模樣終于得以展現。

◎ 創世之柱的真實模樣。圍繞在恒星們周圍的這些塵埃，與它們形成的過程密切相關。 圖片來源：NASA

要知道的是，韋伯望遠鏡接收近紅外線的能力，遠遠強于哈勃望遠鏡。

也就是說，在可預見的未來，韋伯望遠鏡将為我們拍攝下更為清晰、細節更飽滿的星系圖像。

蘊藏在這些圖像中的信息，将告訴我們，塵埃和氣體雲究竟如何坍縮形成了恒星，以及這些幼年恒星周圍，又如何形成了行星系統。

第四，輔助研究行星系統和生命起源的規律，尋找新的宜居行星。

韋伯望遠鏡升空後的第一個項目，就是觀察一個名為TRAPPIST-1的系外行星系統。

這個系統中，有三顆行星，都存在類似地球的環境，甚至可能有液态水和生命。

◎ TRAPPIST-1距離我們約40光年，由七顆岩石行星和一顆恒星構成。圖為這些行星與地球和其他太陽系行星的數值對比，可以看出差距很小。 圖片來源：NASA

雖然這顆恒星遠遠達不到太陽的溫度，但由于行星軌道靠近恒星，行星們接收到的光照水平與地球上的很相似。

在恒星周圍，形成了宜居帶。這三顆行星正處于其中。

研究這樣的行星系統，既能幫助我們更深地去認識，地球是怎麼變成現在的模樣，也蘊藏着發現地外文明的希望。

這些系外行星大氣中的分子，在紅外波長處具有最多的光譜特征。

而擅長收集紅外線的韋伯望遠鏡，便能夠通過檢測這些行星的大氣構成，尋找到與地球的大氣層成分相似的行星。

這樣的行星，存在生命的概率将遠遠高于其他行星。

歐洲航天局韋伯項目的科學家埃文斯（Christopher Evans）曾在采訪中表示：

「一旦我們看到（韋伯望遠鏡）對這些初步觀測結果能做什麼，天文學将煥然一新。」

作為新一代的太空望遠鏡，韋伯望遠鏡的能力毋庸置疑。

但哈勃望遠鏡，也并不會立刻消失在我們的視野裡。

在接下來很長一段時間裡，它将與韋伯互為補充，一同工作。

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哈勃：寶刀未老

雖然韋伯望遠鏡經常被形容為哈勃望遠鏡的繼任者，但事實上，它們之間有着明顯的差别。

◎ 哈勃、韋伯與還在建設中的羅曼望遠鏡的比較簡圖。 圖片來源：NASA

首先，哈勃望遠鏡圍繞地球運行，而韋伯望遠鏡則圍繞太陽運行。

這與技術的發展有關，畢竟，哈勃望遠鏡早誕生三十餘年，當時的技術并不足以将哈勃望遠鏡送到那麼遠的地方。

但這也使得，兩台望遠鏡與地球的「親密」程度大不相同：

哈勃望遠鏡能夠随時得到地球的援助，如果某些零件損壞，航天飛機可以立刻啟程進行檢修和更換。

而距離過遠的韋伯望遠鏡，則沒有這樣的待遇。

同時，韋伯望遠鏡也不太可能得到燃料的補充，在裝載的可供約十年使用的燃料耗盡後，它将逐漸偏離現有路徑，成為不可回收的太空垃圾之一。

哈勃望遠鏡的長壽，不太可能在韋伯望遠鏡身上得到複制。

其次，哈勃望遠鏡主要觀察宇宙中的可見光和紫外線波長，隻是具備一定的紅外線觀測能力，而韋伯望遠鏡将主要用紅外線觀察宇宙。

哈勃望遠鏡的鏡面直徑隻有2.4米，這極大限制了它觀測遙遠星際的能力。

而韋伯望遠鏡的鏡面直徑長達6.5米，因此，它可以看到更遠和更暗的物體。

約翰·霍普金斯實驗室的天體物理學家史蒂文森（Kevin Stevenson）就表示：

「韋伯望遠鏡将補充哈勃望遠鏡，提供對恒星和系外行星的全方位了解。」

哈勃望遠鏡将作為「先遣隊」，為我們對宇宙的探索找到目标；

而韋伯望遠鏡則能立刻跟進，深入收集其中的細節信息。

就在不久前（3月31日），哈勃望遠鏡還立下大功：拍下了一個129億年前誕生的星系。

◎ 在公開的圖片中，這個星系很小，但仍然清晰可見。 圖片來源：NASA

這也是目前為止，人類觀測到的，距離我們最遙遠的星系。

接下來，韋伯望遠鏡則将發揮自己的優勢，跟進探索。

太空望遠鏡科學研究所 （STScI） 的科伊（Dan Coe）對此評價道：

「我們希望能通過韋伯望遠鏡确認，那裡确實有一顆恒星，并測量出它的亮度和溫度。」

當然，從1990年4月24日到現在，哈勃望遠鏡畢竟已經工作了三十餘年。

它的老化是不争的事實，僅在2021年，它就發出過三次錯誤代碼。

但至少在目前，韋伯望遠鏡并不能完全替代它，哈勃望遠鏡還不能徹底「退休」。

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研發：摸索前進

了解了韋伯望遠鏡和哈勃望遠鏡的強大功能後，你也許會對太空望遠鏡的研發過程感到好奇。

畢竟，在太空望遠鏡上，融彙了太多的前沿科技。

其實，作為高精尖儀器，太空望遠鏡的研發極為困難。

而在韋伯望遠鏡身上，這種困難，被展現得淋漓盡緻。

從投資上，韋伯望遠鏡的耗資高達100億美金。

可以說，即使在資金投入量相對較大的科學領域，這也是一筆巨款。

而為了完成既定目标，科學家們在建造韋伯望遠鏡時更是不懈努力。

原本預計2007年完成的韋伯望遠鏡項目，幾度輾轉，最終才在2021年發射，飛向了它夢寐以求的太空。

具體的技術難點不勝枚舉，在此隻列出幾個最具代表性的難題：

首先，前文已經提到過，韋伯望遠鏡的設備中，反射鏡的直徑有6.5米長。但現有的運載火箭，根本無法裝載如此之大的反射鏡。

為了解決這一問題，科學家們設計了一個複雜的解決方案：

主鏡被設計為由18塊六邊形鏡片組成的可折疊反射鏡，其中設置有微型馬達，将幫助這面折疊鏡在展開時達到完美角度。

◎ 反射鏡的折疊與展開示意圖。 圖片來源：Quanta magazine

其次，為了實現拍攝的清晰準确，韋伯望遠鏡還采用了全新的微快門技術。

微快門指的是在拍攝過程中，能夠盡可能高速地成像，把延遲壓縮到最低。

為了完善這一技術，儀器技術和系統部門的首席工程師賈華拉（Murzy Jhabvala）曾經坦言：

「我們在這個設計上工作了六年多，為了完善技術，打開和關閉微型百葉窗數萬次。」

最後，為了觀測到更多的紅外線，韋伯望遠鏡還必須保持在低溫狀态。

為了隔絕來自太陽、地球、月亮的熱輻射，它設計了特别的薄膜遮陽闆。

但這差點讓韋伯望遠鏡計劃胎死腹中。

這五層遮陽闆，每一層都像頭發絲一樣輕薄，雙面塗有鋁，在向陽面，又加塗了一層特制矽，以便于将太陽的熱量反射回太空。

在2018年測試期間，脆弱的薄膜結構意外撕裂，直接導緻了該項目的延遲。

問題如此之多，以至于韋伯項目的總工程師門澤爾（Michael Menzel）在調試過程中，痛苦地表示：

「我有信心嗎？是的。我相信我們已經盡了一切努力。」

「會不會出問題？見鬼了，會。」

幸運的是，這些問題最終都得到了解決。

而與韋伯望遠鏡能帶來的貢獻相比，為了建成它，付出的高昂成本，似乎也是值得的。

它所指向的、看到的，是數十億甚至一百多億年前的星星之光，是遙遠的天體，是宇宙的曆史。

而它通過更新我們對宇宙以及其曆史的了解，正在為我們創造新的未來。

正如NASA局長尼爾森（Bill Nelson）在接受采訪時所說的：

「我們不知道韋伯會讓我們發現什麼，那是我們尚不了解或尚無法理解的宇宙中的東西……我們正處于一個激動人心的發現時代的邊緣。」

參考資料

Paul Anderson.Webb fully aligned! See the new test images，2022-03-08.

Nola TillmanHubble.Space Telescope: Pictures, facts & history，2022-01-31.

韋伯太空望遠鏡升空：史上最大最昂貴，将探索宇宙起源.The Times，2021-12-27.

James Webb Space Telescope gets ready to gaze deep into the universe.Astronomy，2022-03-22.

How JWST could detect industrial gases in exoplanet atmospheres.Astronomy，2022-03-17.