作者：劉豐源（中國科學(xué)院國家天文臺碩士研究生）

　　日前，一批特殊的照片吸引了人們的目光：美輪美奐的船底座星云、“南天指環(huán)”星云、“斯蒂芬五重奏”星系、SMACS 0723星系團深場(chǎng)……這些璀璨奪目照片背后的功臣，是人類(lèi)迄今為止最為先進(jìn)的空間天文設備——詹姆斯·韋布空間望遠鏡。

　　韋布是什么？

　　一臺巨大的“宇宙相機”

　　第一次看到詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST，以下簡(jiǎn)稱(chēng)韋布）的人，也許會(huì )感到十分意外——拋開(kāi)巨大的體積不談，它金黃色的巨大面板棱角分明，還連著(zhù)一摞奇形怪狀的紫粉色薄膜，似乎和平時(shí)我們接觸的望遠鏡相去甚遠。

　　其實(shí)，韋布就像一臺“宇宙相機”：主鏡、副鏡等相當于沒(méi)有鏡筒的“鏡頭”，而其他部分則相當于“機身”。金色的六邊形面板是它的主反射鏡，它的直徑為6.5米，由18個(gè)六邊形子鏡拼接而成。之所以要設計成拼接的形式，是因為它實(shí)在太大，必須折疊后才能放入火箭的艙室內。

　　如此巨大的鏡面，正是韋布的科學(xué)雄心所在。光學(xué)定律告訴我們，望遠鏡的口徑越大，捕獲光子的效率就越高。天體發(fā)射的光子好像傾盆大雨中的雨滴，而更大的望遠鏡口徑就好比用更大的水桶去接雨水，在短時(shí)間內就可以產(chǎn)生較高亮度的圖像，從而看見(jiàn)那些遙遠而黯淡的天體。除此之外，更大口徑的鏡面還擁有更高的分辨率，得到的圖像更清晰。這樣一來(lái)，我們拍到的天體就有更加豐富的細節。

　　完成一場(chǎng)“太空折紙”，并不是一件容易的事。韋布的每個(gè)子鏡都由金屬鈹制作而成，輕盈、堅固；又鍍了一層極薄的黃金，既有效地反射紅外光，又不易變得暗淡。此外，每一面子鏡都可以自由地改變曲率和指向。經(jīng)過(guò)校準以后，它們會(huì )共同組成一個(gè)巨大的拋物面，將星光聚攏到副鏡上。為了合成完美的拋物面，在太空中展開(kāi)后，微型機械馬達必須將各個(gè)子鏡無(wú)縫對齊，誤差不能超過(guò)頭發(fā)絲直徑的萬(wàn)分之一，其難度可想而知。

　　經(jīng)過(guò)層層反射后，星光進(jìn)入主鏡中央開(kāi)口后方的“科學(xué)儀器模塊”中，在那里得到進(jìn)一步的轉換和處理。韋布共攜帶四臺終端科學(xué)儀器，它們分別是中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機（NIRCam）、近紅外成像儀和無(wú)縫光譜儀（NIRISS）、近紅外光譜儀（NIRSpec）。其中，中紅外儀器可以在5～28微米的波長(cháng)范圍內工作，而近紅外的三臺儀器則在約0.6～5微米的波長(cháng)范圍內工作。相比較而言，人眼看到的光線(xiàn)波長(cháng)范圍大約僅在0.4～0.8微米范圍，要局限得多。

　　像普通相機一樣，中紅外儀器、近紅外相機都可以拍攝圖像，但它們的靈敏度可比商業(yè)相機甚至軍用衛星高多了。它們能探測到低至幾納央斯基的流量，假設把一盞兒童睡覺(jué)時(shí)開(kāi)的床頭夜燈放到月球上，從地面上看去，它的亮度都要比韋布的探測極限高二十倍！

　　在到達相機底片之前，星光還會(huì )經(jīng)過(guò)濾光輪，輪上安著(zhù)十余種不同的濾光片。這些濾光片各自允許特定波長(cháng)范圍的光線(xiàn)通過(guò)，可以根據電腦指令轉動(dòng)到底片前方。這樣一來(lái)，天文學(xué)家拍攝的每一張圖片，就只反映天體在特定波長(cháng)范圍內的輻射情況。在不同濾鏡下拍攝照片，就能得知天體在各個(gè)波長(cháng)的輻射分布，從而推斷出天體的性質(zhì)。將不同濾鏡的照片在計算機里分別賦予單一顏色，再疊加起來(lái)，就得到了我們常看到的色彩斑斕的天文照片。此外，韋布還配備了星冕儀。它可以遮擋明亮的天體，從而讓天體周?chē)等醯谋尘帮@現出來(lái)。

　　但除了拍攝圖像，天文學(xué)家更翹首以盼的，是用韋布得到天體的光譜信息。太陽(yáng)光這樣的多色光經(jīng)過(guò)大氣層中的水汽散射后，會(huì )產(chǎn)生絢麗的彩虹。光的能量按照波長(cháng)（或頻率）的這種分布就叫作光譜。韋布的四臺儀器都可以進(jìn)行光譜拍攝。原子、分子吸收或發(fā)射特定波長(cháng)的光，會(huì )在光譜上有所反映。通過(guò)光譜，我們可以知道天體的類(lèi)型、速度、距離、成分等重要信息，從而畫(huà)出宇宙中天體的“三維地圖”。

　　　為何耗資88億美元？

　　確保韋布拍出最好的照片

　　2021年12月，韋布望遠鏡搭乘著(zhù)阿麗亞娜5號火箭，在法屬圭亞那的發(fā)射場(chǎng)升空。

　　這是一場(chǎng)遲到了14年的赴約。早在哈勃空間望遠鏡（HST，以下簡(jiǎn)稱(chēng)哈勃）發(fā)射以前，天文學(xué)家就開(kāi)始考慮建造更強大的太空望遠鏡，稱(chēng)作“下一代空間望遠鏡（NGST）”。最初的計劃僅僅是花費5億美元，建造一臺8米口徑的望遠鏡，并于2007年發(fā)射。然而，項目一再擴增和延期。到韋布望遠鏡最終發(fā)射時(shí)，總投資已經(jīng)超過(guò)100億美元。

　　韋布延期主要是出于安全方面的考慮。空間望遠鏡出故障的先例不勝枚舉。例如1990年哈勃發(fā)射后，天文學(xué)家就震驚地發(fā)現，它拍攝的圖像都很模糊：原來(lái)是鏡片磨制的形狀出了錯誤，沒(méi)辦法準確地聚焦光線(xiàn)！直到1993年，航天員駕駛航天飛機到太空中，為哈勃加裝了一臺“近視眼鏡”，成像才恢復正常。哈勃圍繞著(zhù)近地軌道運行，出了錯還可以補救；但韋布在地球和太陽(yáng)的第二拉格朗日點(diǎn)附近運行，繞著(zhù)太陽(yáng)公轉，離地球足足有150萬(wàn)公里，是月球到地球距離的四倍。萬(wàn)一韋布出現了故障，在它整個(gè)“有生之年”內（預期壽命將超過(guò)十年），人類(lèi)都無(wú)法親自維修。因此，團隊必須在地面上反復檢驗，確保萬(wàn)無(wú)一失。

　　為什么要把望遠鏡發(fā)射到這么遠的距離上？進(jìn)入太空的好處顯而易見(jiàn)：不再有白天黑夜的限制，沒(méi)有陰雨天氣影響，避免了大氣層吸收和折射星光……但地球時(shí)時(shí)刻刻散發(fā)著(zhù)大致相當于室溫的熱量，會(huì )讓近地軌道上的航天器溫度上升。對于韋布這樣的紅外探測器來(lái)說(shuō)，是很大的干擾。

　　一切物體都會(huì )發(fā)出紅外線(xiàn)。新冠肺炎疫情以來(lái)，我們也許已經(jīng)習慣于見(jiàn)到自己在紅外照片里的樣子了——公共場(chǎng)所的體溫成像儀正是紅外相機最常見(jiàn)的應用。人體會(huì )發(fā)出紅外線(xiàn)，太陽(yáng)、地球、遙遠的恒星和星系也是如此。更奇妙的是，紅外線(xiàn)還能夠穿透遮蔽物。在星系中彌漫著(zhù)大量微粒，稱(chēng)為“星際塵埃”，會(huì )阻擋紫外線(xiàn)和可見(jiàn)光，紅外線(xiàn)卻暢通無(wú)阻。因此，用紅外線(xiàn)觀(guān)測塵埃區有得天獨厚的優(yōu)勢，能看到塵埃背后發(fā)光的天體。

　　除此之外，那些極其遙遠的星系和星系際介質(zhì)，發(fā)出的光會(huì )發(fā)生所謂的“紅移”。多普勒效應告訴我們，物體一旦和觀(guān)測者相背而行，觀(guān)測者看到的波長(cháng)就會(huì )變長(cháng)。而按照宇宙膨脹理論，遙遠的天體都是在遠離我們的。這樣一來(lái)，它們的輻射就會(huì )整體向光譜的紅端移動(dòng)。天體越遠，遠離我們的速度就越快，紅移也就越大。而在遙遠的星系中，有很大一部分的能量本來(lái)是在可見(jiàn)光波段發(fā)出的。經(jīng)過(guò)紅移之后，這部分能量正好位于韋布探測的紅外波段，因此，韋布也極為適合探測那些最為遙遠的天體。

　　但是，韋布望遠鏡畢竟處在太陽(yáng)系中，免不了受太陽(yáng)照射。如果鏡身溫度太高，自身產(chǎn)生的紅外線(xiàn)也會(huì )干擾觀(guān)測。為此，韋布配備了被動(dòng)和主動(dòng)兩種降溫方式。

　　在朝向太陽(yáng)的方向，韋布撐起了一把“遮陽(yáng)傘”——網(wǎng)球場(chǎng)一樣大的聚酰亞胺薄膜。這種材料不足一毫米厚，不僅輕便，而且還能承受很大的溫差。薄膜共有五層，每層上面都鍍了鋁，能很好地反射并隔絕熱量。在面朝太陽(yáng)的前兩層上，還特別覆蓋了粉紅色的摻雜硅涂層，散熱效率大大提高。

　　在薄膜朝向太陽(yáng)的一面，溫度高達110攝氏度；而經(jīng)過(guò)五層薄膜的阻隔，背向太陽(yáng)的一面足足降到了零下230攝氏度以下。我們常用的護膚霜或遮陽(yáng)傘“防曬指數”不過(guò)50左右，但韋布的遮陽(yáng)傘“防曬指數”足足達到了100萬(wàn)，意味著(zhù)只有百萬(wàn)分之一的“漏網(wǎng)之魚(yú)”。

　　不過(guò)，科學(xué)儀器模塊中的儀器對溫度極其敏感，僅靠被動(dòng)冷卻是不夠的。例如中紅外儀器需要在零下266攝氏度才能正常工作（僅比絕對零度高了7度），這時(shí)就需要“低溫冷卻器”登場(chǎng)了。除了先進(jìn)的冷卻機制外，它也許還是世界上最“靜音”的冰箱——因為哪怕一點(diǎn)點(diǎn)振動(dòng)，都會(huì )造成災難般的圖像模糊。

　　韋布要做什么？

　　加深人們對宇宙的理解

　　作為人類(lèi)最昂貴、最大、最先進(jìn)的空間望遠鏡，韋布的主要使命被歸類(lèi)為四個(gè)領(lǐng)域：宇宙曙光與再電離、不同時(shí)期的星系、恒星與原行星系統誕生、行星系統與生命起源。

　　首先，紅外波段適合觀(guān)測那些遙遠的天體，韋布的一項重要任務(wù)就是了解宇宙的早期歷史。光速是有限的，光線(xiàn)穿過(guò)遙遠的距離需要時(shí)間。太陽(yáng)光需要8分鐘才能抵達地球，所以我們在地球上看到的是8分鐘前的太陽(yáng)；近鄰星系發(fā)出的光線(xiàn)需要千萬(wàn)年才能抵達太陽(yáng)系，我們看到的也是它們千萬(wàn)年前的樣子。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，宇宙就像一座時(shí)間展覽館：我們看得越遠，看到的展品就越古老。

　　我們平時(shí)觀(guān)測的近鄰星系，紅移基本都在0.1以下；紅移2到3，就被天文學(xué)家稱(chēng)作是高紅移星系，已經(jīng)相當難以探測了。而韋布預計將看到紅移接近20的初代星系，它們極其遙遠，韋布觀(guān)測到的光，是宇宙才剛剛誕生不到2億年的時(shí)候發(fā)出的。在韋布發(fā)布的第一批數據里，天文學(xué)家就已經(jīng)探測到紅移10左右的星系了。更深場(chǎng)的積分甚至有望追溯到宇宙再電離時(shí)期，那是宇宙中的第一縷曙光。

　　其次，韋布能夠直接看到星系中那些誕生恒星的巨大塵埃云，而這些云對哈勃等光學(xué)望遠鏡而言是不透明的。包括太陽(yáng)在內的恒星，正是由這樣的星云坍縮形成，但其具體過(guò)程我們卻還未弄懂。不僅如此，韋布甚至能直接看到行星形成過(guò)程中存在的原行星盤(pán)，從而讓我們更加了解原始行星系的形成。

　　再次，韋布擁有驚人的分辨率和靈敏度，那么當它注視那些較近的星系時(shí)，必將揭示出細節異常豐富的形態(tài)和光譜信息。我們已經(jīng)知道，星系分為若干類(lèi)型，它們的組成成分不同，彼此之間也存在著(zhù)演化關(guān)系。通過(guò)巡天獲得大量星系數據，韋布有望回答一系列關(guān)鍵問(wèn)題，例如黑洞如何影響宿主星系、星系的形態(tài)是怎么產(chǎn)生的、化學(xué)元素在星系中如何分布……

　　最后，太空中是否有其他生命也是韋布的關(guān)注點(diǎn)。當系外行星從母星前經(jīng)過(guò)時(shí)，大氣層中特定的元素將會(huì )吸收母星發(fā)出的光。韋布探測到這種吸收光譜，便可以得知系外行星的大氣成分。在發(fā)布的首批照片中，天文學(xué)家已經(jīng)證明了一顆系外行星中具有水分子。有朝一日，我們或許會(huì )在系外行星大氣中探測到更多“生物印記”——例如甲烷、氧氣等，它們暗示著(zhù)地外生命存在的可能性。韋布還將調查太陽(yáng)系內的天體：彗星、小行星、冰衛星等……熟悉了我們的“鄰居”，我們對自己的起源也會(huì )有更深的理解。

　　與韋布同期，中國的空間天文事業(yè)也在蓬勃發(fā)展。“悟空”號暗物質(zhì)粒子探測衛星、“慧眼”硬X射線(xiàn)調制望遠鏡衛星等取得了優(yōu)異成果，中國空間站工程巡天望遠鏡、愛(ài)因斯坦探針衛星等一批先進(jìn)設備也正在籌劃中。然而，我們至今還沒(méi)有自己的紅外天文衛星，在天文儀器研發(fā)的人才儲備、紅外探測器的工藝，以及設計決策等層面，也都還有一定差距。

　　如果將宇宙比作一座寶庫，韋布的首批照片只不過(guò)是站在大門(mén)口的一瞥。在接下來(lái)的太空之旅中，韋布必將向人類(lèi)展示宇宙的更多珍寶。我們也更希望有朝一日能看到中國自己的紅外空間望遠鏡翱翔天際，向太空投去屬于我們的目光。