除了仰望星空，我们还能如何观察宇宙？

太空望远镜是答案之一。

4月28日，NASA宣布，韦伯望远镜已经完成了镜面校准，并公布了它的测试图像。

◎ 韦伯望远镜公开的测试图像只展示了它拍摄成果的一部分。 图片来源：Twitter@NASA Webb Telescope

5月2日的新闻发布会上，NASA的韦伯天文台项目科学家麦克埃尔温（Michael McElwain）表示：

「这些是太空望远镜能拍摄到的最清晰红外图像。」

在去年的12月25日，由美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局合作的新太空望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜顺利升空。

它具备更高的红外分辨率和灵敏度，能够观测到亮度更微弱的星体，是目前为止，红外线探测能力最强的太空望远镜。

换句话说，它是当下最强大的望远镜。

韦伯望远镜有能力观测到最遥远和最原始的星系的微弱信号，帮助科学家们寻找宇宙大爆炸初期留下的痕迹，研究宇宙历史演变的每个阶段。

可以想见，在不远的将来，韦伯望远镜将进一步影响人类的自然观，带领空间天文学进入一个新的时代。

地球之外，还有我们所熟知的哈勃太空望远镜。

它与韦伯这两架太空望远镜领域的最尖端科技，是我们探索宇宙奥秘的最前沿工具。

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韦伯：新的征程

观测星系发出的红外线，对太空望远镜来说是一项重要任务。

在宇宙中，有许多星系在红外线波段的检测下，呈现出非常活跃的态势，而在可见光波段的活动则非常微弱，几乎不可见。

◎ 红外线指的是波长介于微波与可见光之间的电磁波，是一种不可见光，有温度的物体会发出不同波长的红外线。图为可见光的光谱，波长在最左侧数值外的即为红外线。 图片来源：HOTWORX

然而，哈勃望远镜只能进行一些红外线的基础探测工作。

这就意味着，研发一台具备强力红外线探测能力的太空望远镜迫在眉睫。

韦伯望远镜应运而生。

从一开始，韦伯望远镜的定位就很明确：一台能最大限度探测红外线的太空望远镜。

而它具体的四大目标，也多是围绕着红外线观测展开：

第一，捕捉宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光。

目前，宇宙科学家们普遍认为，最古老的恒星和星系是在宇宙大爆炸之后一亿年左右形成的。

但距离它们的诞生过去了数百亿年，它们本身早已毁灭，只剩下光的残影留在宇宙中。

但随着宇宙不断膨胀，它们所发出的光线会越来越长，越来越接近红外线——这种现象也被称为「宇宙学红移」。

只有捕捉到这些光线，我们才能看到，发出光的恒星和星系的全貌。

而这，正是韦伯望远镜的专长。

韦伯望远镜的反射镜能够将这些红外线全盘接收，并发送到其配备的红外仪器上，进行具体分析。

而对于这些早期星系的研究，将为我们还原宇宙婴儿期的模样，提供不可或缺的信息。

第二，总结星系的形成和演化规律。

提到星系，第一时间跃入你脑海的，也许是一个巨大的螺旋。

◎ 哈勃望远镜拍摄的螺旋状星系。 图片来源：NASA

但如果把视角移向非常遥远的星系，你会发现，这些星系大多是小而结块的。

我们熟悉的螺旋，是在数亿年中慢慢形成的，这一历程中，包括了小星系之间的相互碰撞。

可以说，几乎所有我们看到的大型星系，都经历过至少一次的碰撞合并，才演变为现在的模样。

◎ 两个星系在碰撞之中。 图片来源：NASA

韦伯望远镜将收集早期星系的数据，与现在的星系进行对比，这将为我们解答，星系到底是如何演化的。

而掌握星系的演化规律，不仅有助于我们进一步了解自己的家园——银河系，还能帮助我们回答那个古老的问题：

茫茫宇宙之中，人类将何去何从？

第三，总结恒星和行星形成的过程。

哈勃望远镜曾经拍摄过一张著名的照片：创世之柱。

◎ 创世之柱。 图片来源：NASA

虽然照片上显示的星星数量并不多，但实际上，图中位置存在有无数颗明亮的年轻恒星。

只是由于灰尘的存在，摄像机无法接收到来自这些恒星的光线，将之显示在照片上。

后来，哈勃望远镜使用了近红外摄像机，再一次地拍摄了创世之柱。

这次，恒星们瑰丽的模样终于得以展现。

◎ 创世之柱的真实模样。围绕在恒星们周围的这些尘埃，与它们形成的过程密切相关。 图片来源：NASA

要知道的是，韦伯望远镜接收近红外线的能力，远远强于哈勃望远镜。

也就是说，在可预见的未来，韦伯望远镜将为我们拍摄下更为清晰、细节更饱满的星系图像。

蕴藏在这些图像中的信息，将告诉我们，尘埃和气体云究竟如何坍缩形成了恒星，以及这些幼年恒星周围，又如何形成了行星系统。

第四，辅助研究行星系统和生命起源的规律，寻找新的宜居行星。

韦伯望远镜升空后的第一个项目，就是观察一个名为TRAPPIST-1的系外行星系统。

这个系统中，有三颗行星，都存在类似地球的环境，甚至可能有液态水和生命。

◎ TRAPPIST-1距离我们约40光年，由七颗岩石行星和一颗恒星构成。图为这些行星与地球和其他太阳系行星的数值对比，可以看出差距很小。 图片来源：NASA

虽然这颗恒星远远达不到太阳的温度，但由于行星轨道靠近恒星，行星们接收到的光照水平与地球上的很相似。

在恒星周围，形成了宜居带。这三颗行星正处于其中。

研究这样的行星系统，既能帮助我们更深地去认识，地球是怎么变成现在的模样，也蕴藏着发现地外文明的希望。

这些系外行星大气中的分子，在红外波长处具有最多的光谱特征。

而擅长收集红外线的韦伯望远镜，便能够通过检测这些行星的大气构成，寻找到与地球的大气层成分相似的行星。

这样的行星，存在生命的概率将远远高于其他行星。

欧洲航天局韦伯项目的科学家埃文斯（Christopher Evans）曾在采访中表示：

「一旦我们看到（韦伯望远镜）对这些初步观测结果能做什么，天文学将焕然一新。」

作为新一代的太空望远镜，韦伯望远镜的能力毋庸置疑。

但哈勃望远镜，也并不会立刻消失在我们的视野里。

在接下来很长一段时间里，它将与韦伯互为补充，一同工作。

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哈勃：宝刀未老

虽然韦伯望远镜经常被形容为哈勃望远镜的继任者，但事实上，它们之间有着明显的差别。

◎ 哈勃、韦伯与还在建设中的罗曼望远镜的比较简图。 图片来源：NASA

首先，哈勃望远镜围绕地球运行，而韦伯望远镜则围绕太阳运行。

这与技术的发展有关，毕竟，哈勃望远镜早诞生三十余年，当时的技术并不足以将哈勃望远镜送到那么远的地方。

但这也使得，两台望远镜与地球的「亲密」程度大不相同：

哈勃望远镜能够随时得到地球的援助，如果某些零件损坏，航天飞机可以立刻启程进行检修和更换。

而距离过远的韦伯望远镜，则没有这样的待遇。

同时，韦伯望远镜也不太可能得到燃料的补充，在装载的可供约十年使用的燃料耗尽后，它将逐渐偏离现有路径，成为不可回收的太空垃圾之一。

哈勃望远镜的长寿，不太可能在韦伯望远镜身上得到复制。

其次，哈勃望远镜主要观察宇宙中的可见光和紫外线波长，只是具备一定的红外线观测能力，而韦伯望远镜将主要用红外线观察宇宙。

哈勃望远镜的镜面直径只有2.4米，这极大限制了它观测遥远星际的能力。

而韦伯望远镜的镜面直径长达6.5米，因此，它可以看到更远和更暗的物体。

约翰·霍普金斯实验室的天体物理学家史蒂文森（Kevin Stevenson）就表示：

「韦伯望远镜将补充哈勃望远镜，提供对恒星和系外行星的全方位了解。」

哈勃望远镜将作为「先遣队」，为我们对宇宙的探索找到目标；

而韦伯望远镜则能立刻跟进，深入收集其中的细节信息。

就在不久前（3月31日），哈勃望远镜还立下大功：拍下了一个129亿年前诞生的星系。

◎ 在公开的图片中，这个星系很小，但仍然清晰可见。 图片来源：NASA

这也是目前为止，人类观测到的，距离我们最遥远的星系。

接下来，韦伯望远镜则将发挥自己的优势，跟进探索。

太空望远镜科学研究所 （STScI） 的科伊（Dan Coe）对此评价道：

「我们希望能通过韦伯望远镜确认，那里确实有一颗恒星，并测量出它的亮度和温度。」

当然，从1990年4月24日到现在，哈勃望远镜毕竟已经工作了三十余年。

它的老化是不争的事实，仅在2021年，它就发出过三次错误代码。

但至少在目前，韦伯望远镜并不能完全替代它，哈勃望远镜还不能彻底「退休」。

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研发：摸索前进

了解了韦伯望远镜和哈勃望远镜的强大功能后，你也许会对太空望远镜的研发过程感到好奇。

毕竟，在太空望远镜上，融汇了太多的前沿科技。

其实，作为高精尖仪器，太空望远镜的研发极为困难。

而在韦伯望远镜身上，这种困难，被展现得淋漓尽致。

从投资上，韦伯望远镜的耗资高达100亿美金。

可以说，即使在资金投入量相对较大的科学领域，这也是一笔巨款。

而为了完成既定目标，科学家们在建造韦伯望远镜时更是不懈努力。

原本预计2007年完成的韦伯望远镜项目，几度辗转，最终才在2021年发射，飞向了它梦寐以求的太空。

具体的技术难点不胜枚举，在此只列出几个最具代表性的难题：

首先，前文已经提到过，韦伯望远镜的设备中，反射镜的直径有6.5米长。但现有的运载火箭，根本无法装载如此之大的反射镜。

为了解决这一问题，科学家们设计了一个复杂的解决方案：

主镜被设计为由18块六边形镜片组成的可折叠反射镜，其中设置有微型马达，将帮助这面折叠镜在展开时达到完美角度。

◎ 反射镜的折叠与展开示意图。 图片来源：Quanta magazine

其次，为了实现拍摄的清晰准确，韦伯望远镜还采用了全新的微快门技术。

微快门指的是在拍摄过程中，能够尽可能高速地成像，把延迟压缩到最低。

为了完善这一技术，仪器技术和系统部门的首席工程师贾华拉（Murzy Jhabvala）曾经坦言：

「我们在这个设计上工作了六年多，为了完善技术，打开和关闭微型百叶窗数万次。」

最后，为了观测到更多的红外线，韦伯望远镜还必须保持在低温状态。

为了隔绝来自太阳、地球、月亮的热辐射，它设计了特别的薄膜遮阳板。

但这差点让韦伯望远镜计划胎死腹中。

这五层遮阳板，每一层都像头发丝一样轻薄，双面涂有铝，在向阳面，又加涂了一层特制硅，以便于将太阳的热量反射回太空。

在2018年测试期间，脆弱的薄膜结构意外撕裂，直接导致了该项目的延迟。

问题如此之多，以至于韦伯项目的总工程师门泽尔（Michael Menzel）在调试过程中，痛苦地表示：

「我有信心吗？是的。我相信我们已经尽了一切努力。」

「会不会出问题？见鬼了，会。」

幸运的是，这些问题最终都得到了解决。

而与韦伯望远镜能带来的贡献相比，为了建成它，付出的高昂成本，似乎也是值得的。

它所指向的、看到的，是数十亿甚至一百多亿年前的星星之光，是遥远的天体，是宇宙的历史。

而它通过更新我们对宇宙以及其历史的了解，正在为我们创造新的未来。

正如NASA局长尼尔森（Bill Nelson）在接受采访时所说的：

「我们不知道韦伯会让我们发现什么，那是我们尚不了解或尚无法理解的宇宙中的东西……我们正处于一个激动人心的发现时代的边缘。」

参考资料

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

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

韦伯太空望远镜升空：史上最大最昂贵，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.