除了仰望星空，我們還能如何觀察宇宙？
太空望遠(yuǎn)鏡是答案之一。
4月28日，NASA宣布，韋伯望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)完成了鏡面校準(zhǔn)，并公布了它的測試圖像。
◎ 韋伯望遠(yuǎn)鏡公開的測試圖像只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(fā)布會(huì)上，NASA的韋伯天文臺(tái)項(xiàng)目科學(xué)家麥克埃爾溫（Michael McElwain）表示：
「這些是太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(qiáng)的太空望遠(yuǎn)鏡。
換句話說，它是當(dāng)下最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。
韋伯望遠(yuǎn)鏡有能力觀測到最遙遠(yuǎn)和最原始的星系的微弱信號(hào)，幫助科學(xué)家們尋找宇宙大爆炸初期留下的痕跡，研究宇宙歷史演變的每個(gè)階段。
可以想見，在不遠(yuǎn)的將來，韋伯望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)一步影響人類的自然觀，帶領(lǐng)空間天文學(xué)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。
地球之外，還有我們所熟知的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。
它與韋伯這兩架太空望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域的最尖端科技，是我們探索宇宙奧秘的最前沿工具。
/ 01 /
韋伯：新的征程
觀測星系發(fā)出的紅外線，對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡來說是一項(xiàng)重要任務(wù)。
在宇宙中，有許多星系在紅外線波段的檢測下，呈現(xiàn)出非?；钴S的態(tài)勢，而在可見光波段的活動(dòng)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(huì)發(fā)出不同波長的紅外線。圖為可見光的光譜，波長在最左側(cè)數(shù)值外的即為紅外線。 圖片來源：HOTWORX
然而，哈勃望遠(yuǎn)鏡只能進(jìn)行一些紅外線的基礎(chǔ)探測工作。
這就意味著，研發(fā)一臺(tái)具備強(qiáng)力紅外線探測能力的太空望遠(yuǎn)鏡迫在眉睫。
韋伯望遠(yuǎn)鏡應(yīng)運(yùn)而生。
從一開始，韋伯望遠(yuǎn)鏡的定位就很明確：一臺(tái)能最大限度探測紅外線的太空望遠(yuǎn)鏡。
而它具體的四大目標(biāo)，也多是圍繞著紅外線觀測展開：
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，宇宙科學(xué)家們普遍認(rèn)為，最古老的恒星和星系是在宇宙大爆炸之后一億年左右形成的。
但距離它們的誕生過去了數(shù)百億年，它們本身早已毀滅，只剩下光的殘影留在宇宙中。
但隨著宇宙不斷膨脹，它們所發(fā)出的光線會(huì)越來越長，越來越接近紅外線——這種現(xiàn)象也被稱為「宇宙學(xué)紅移」。
只有捕捉到這些光線，我們才能看到，發(fā)出光的恒星和星系的全貌。
而這，正是韋伯望遠(yuǎn)鏡的專長。
韋伯望遠(yuǎn)鏡的反射鏡能夠?qū)⑦@些紅外線全盤接收，并發(fā)送到其配備的紅外儀器上，進(jìn)行具體分析。
而對(duì)于這些早期星系的研究，將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(jié)星系的形成和演化規(guī)律。
提到星系，第一時(shí)間躍入你腦海的，也許是一個(gè)巨大的螺旋。
◎ 哈勃望遠(yuǎn)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(yuǎn)的星系，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些星系大多是小而結(jié)塊的。
我們熟悉的螺旋，是在數(shù)億年中慢慢形成的，這一歷程中，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(jīng)歷過至少一次的碰撞合并，才演變?yōu)楝F(xiàn)在的模樣。
◎ 兩個(gè)星系在碰撞之中。 圖片來源：NASA
韋伯望遠(yuǎn)鏡將收集早期星系的數(shù)據(jù)，與現(xiàn)在的星系進(jìn)行對(duì)比，這將為我們解答，星系到底是如何演化的。
而掌握星系的演化規(guī)律，不僅有助于我們進(jìn)一步了解自己的家園——銀河系，還能幫助我們回答那個(gè)古老的問題：
茫茫宇宙之中，人類將何去何從？
第三，總結(jié)恒星和行星形成的過程。
哈勃望遠(yuǎn)鏡曾經(jīng)拍攝過一張著名的照片：創(chuàng)世之柱。
◎ 創(chuàng)世之柱。 圖片來源：NASA
雖然照片上顯示的星星數(shù)量并不多，但實(shí)際上，圖中位置存在有無數(shù)顆明亮的年輕恒星。
只是由于灰塵的存在，攝像機(jī)無法接收到來自這些恒星的光線，將之顯示在照片上。
后來，哈勃望遠(yuǎn)鏡使用了近紅外攝像機(jī)，再一次地拍攝了創(chuàng)世之柱。
這次，恒星們瑰麗的模樣終于得以展現(xiàn)。
◎ 創(chuàng)世之柱的真實(shí)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(guān)。 圖片來源：NASA
要知道的是，韋伯望遠(yuǎn)鏡接收近紅外線的能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于哈勃望遠(yuǎn)鏡。
也就是說，在可預(yù)見的未來，韋伯望遠(yuǎn)鏡將為我們拍攝下更為清晰、細(xì)節(jié)更飽滿的星系圖像。
蘊(yùn)藏在這些圖像中的信息，將告訴我們，塵埃和氣體云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(tǒng)。
第四，輔助研究行星系統(tǒng)和生命起源的規(guī)律，尋找新的宜居行星。
韋伯望遠(yuǎn)鏡升空后的第一個(gè)項(xiàng)目，就是觀察一個(gè)名為TRAPPIST-1的系外行星系統(tǒng)。
這個(gè)系統(tǒng)中，有三顆行星，都存在類似地球的環(huán)境，甚至可能有液態(tài)水和生命。
◎ TRAPPIST-1距離我們約40光年，由七顆巖石行星和一顆恒星構(gòu)成。圖為這些行星與地球和其他太陽系行星的數(shù)值對(duì)比，可以看出差距很小。 圖片來源：NASA
雖然這顆恒星遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)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(tǒng)，既能幫助我們更深地去認(rèn)識(shí)，地球是怎么變成現(xiàn)在的模樣，也蘊(yùn)藏著發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)鏡，便能夠通過檢測這些行星的大氣構(gòu)成，尋找到與地球的大氣層成分相似的行星。
這樣的行星，存在生命的概率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他行星。
歐洲航天局韋伯項(xiàng)目的科學(xué)家埃文斯（Christopher Evans）曾在采訪中表示：
「一旦我們看到（韋伯望遠(yuǎn)鏡）對(duì)這些初步觀測結(jié)果能做什么，天文學(xué)將煥然一新。」
作為新一代的太空望遠(yuǎn)鏡，韋伯望遠(yuǎn)鏡的能力毋庸置疑。
但哈勃望遠(yuǎn)鏡，也并不會(huì)立刻消失在我們的視野里。
在接下來很長一段時(shí)間里，它將與韋伯互為補(bǔ)充，一同工作。
/ 02 /
哈勃：寶刀未老
雖然韋伯望遠(yuǎn)鏡經(jīng)常被形容為哈勃望遠(yuǎn)鏡的繼任者，但事實(shí)上，它們之間有著明顯的差別。
◎ 哈勃、韋伯與還在建設(shè)中的羅曼望遠(yuǎn)鏡的比較簡圖。 圖片來源：NASA
首先，哈勃望遠(yuǎn)鏡圍繞地球運(yùn)行，而韋伯望遠(yuǎn)鏡則圍繞太陽運(yùn)行。
這與技術(shù)的發(fā)展有關(guān)，畢竟，哈勃望遠(yuǎn)鏡早誕生三十余年，當(dāng)時(shí)的技術(shù)并不足以將哈勃望遠(yuǎn)鏡送到那么遠(yuǎn)的地方。
但這也使得，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡與地球的「親密」程度大不相同：
哈勃望遠(yuǎn)鏡能夠隨時(shí)得到地球的援助，如果某些零件損壞，航天飛機(jī)可以立刻啟程進(jìn)行檢修和更換。
而距離過遠(yuǎn)的韋伯望遠(yuǎn)鏡，則沒有這樣的待遇。
同時(shí)，韋伯望遠(yuǎn)鏡也不太可能得到燃料的補(bǔ)充，在裝載的可供約十年使用的燃料耗盡后，它將逐漸偏離現(xiàn)有路徑，成為不可回收的太空垃圾之一。
哈勃望遠(yuǎn)鏡的長壽，不太可能在韋伯望遠(yuǎn)鏡身上得到復(fù)制。
其次，哈勃望遠(yuǎn)鏡主要觀察宇宙中的可見光和紫外線波長，只是具備一定的紅外線觀測能力，而韋伯望遠(yuǎn)鏡將主要用紅外線觀察宇宙。
哈勃望遠(yuǎn)鏡的鏡面直徑只有2.4米，這極大限制了它觀測遙遠(yuǎn)星際的能力。
而韋伯望遠(yuǎn)鏡的鏡面直徑長達(dá)6.5米，因此，它可以看到更遠(yuǎn)和更暗的物體。
約翰·霍普金斯實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家史蒂文森（Kevin Stevenson）就表示：
「韋伯望遠(yuǎn)鏡將補(bǔ)充哈勃望遠(yuǎn)鏡，提供對(duì)恒星和系外行星的全方位了解。」
哈勃望遠(yuǎn)鏡將作為「先遣隊(duì)」，為我們對(duì)宇宙的探索找到目標(biāo)；
而韋伯望遠(yuǎn)鏡則能立刻跟進(jìn)，深入收集其中的細(xì)節(jié)信息。
就在不久前（3月31日），哈勃望遠(yuǎn)鏡還立下大功：拍下了一個(gè)129億年前誕生的星系。
◎ 在公開的圖片中，這個(gè)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(yuǎn)的星系。
接下來，韋伯望遠(yuǎn)鏡則將發(fā)揮自己的優(yōu)勢，跟進(jìn)探索。
太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所 （STScI） 的科伊（Dan Coe）對(duì)此評(píng)價(jià)道：
「我們希望能通過韋伯望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)，那里確實(shí)有一顆恒星，并測量出它的亮度和溫度?！?/p>
當(dāng)然，從1990年4月24日到現(xiàn)在，哈勃望遠(yuǎn)鏡畢竟已經(jīng)工作了三十余年。
它的老化是不爭的事實(shí)，僅在2021年，它就發(fā)出過三次錯(cuò)誤代碼。
但至少在目前，韋伯望遠(yuǎn)鏡并不能完全替代它，哈勃望遠(yuǎn)鏡還不能徹底「退休」。
/ 03 /
研發(fā)：摸索前進(jìn)
了解了韋伯望遠(yuǎn)鏡和哈勃望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)大功能后，你也許會(huì)對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)過程感到好奇。
畢竟，在太空望遠(yuǎn)鏡上，融匯了太多的前沿科技。
其實(shí)，作為高精尖儀器，太空望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)極為困難。
而在韋伯望遠(yuǎn)鏡身上，這種困難，被展現(xiàn)得淋漓盡致。
從投資上，韋伯望遠(yuǎn)鏡的耗資高達(dá)100億美金。
可以說，即使在資金投入量相對(duì)較大的科學(xué)領(lǐng)域，這也是一筆巨款。
而為了完成既定目標(biāo)，科學(xué)家們?cè)诮ㄔ祉f伯望遠(yuǎn)鏡時(shí)更是不懈努力。
原本預(yù)計(jì)2007年完成的韋伯望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，幾度輾轉(zhuǎn)，最終才在2021年發(fā)射，飛向了它夢寐以求的太空。
具體的技術(shù)難點(diǎn)不勝枚舉，在此只列出幾個(gè)最具代表性的難題：
首先，前文已經(jīng)提到過，韋伯望遠(yuǎn)鏡的設(shè)備中，反射鏡的直徑有6.5米長。但現(xiàn)有的運(yùn)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(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的解決方案：
主鏡被設(shè)計(jì)為由18塊六邊形鏡片組成的可折疊反射鏡，其中設(shè)置有微型馬達(dá)，將幫助這面折疊鏡在展開時(shí)達(dá)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(shí)現(xiàn)拍攝的清晰準(zhǔn)確，韋伯望遠(yuǎn)鏡還采用了全新的微快門技術(shù)。
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(shù)，儀器技術(shù)和系統(tǒng)部門的首席工程師賈華拉（Murzy Jhabvala）曾經(jīng)坦言：
「我們?cè)谶@個(gè)設(shè)計(jì)上工作了六年多，為了完善技術(shù)，打開和關(guān)閉微型百葉窗數(shù)萬次?！?/p>
最后，為了觀測到更多的紅外線，韋伯望遠(yuǎn)鏡還必須保持在低溫狀態(tài)。
為了隔絕來自太陽、地球、月亮的熱輻射，它設(shè)計(jì)了特別的薄膜遮陽板。
但這差點(diǎn)讓韋伯望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃胎死腹中。
這五層遮陽板，每一層都像頭發(fā)絲一樣輕薄，雙面涂有鋁，在向陽面，又加涂了一層特制硅，以便于將太陽的熱量反射回太空。
在2018年測試期間，脆弱的薄膜結(jié)構(gòu)意外撕裂，直接導(dǎo)致了該項(xiàng)目的延遲。
問題如此之多，以至于韋伯項(xiàng)目的總工程師門澤爾（Michael Menzel）在調(diào)試過程中，痛苦地表示：
「我有信心嗎？是的。我相信我們已經(jīng)盡了一切努力?！?/p>
「會(huì)不會(huì)出問題？見鬼了，會(huì)?！?/p>
幸運(yùn)的是，這些問題最終都得到了解決。
而與韋伯望遠(yuǎn)鏡能帶來的貢獻(xiàn)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(shù)十億甚至一百多億年前的星星之光，是遙遠(yuǎn)的天體，是宇宙的歷史。
而它通過更新我們對(duì)宇宙以及其歷史的了解，正在為我們創(chuàng)造新的未來。
正如NASA局長尼爾森（Bill Nelson）在接受采訪時(shí)所說的：
「我們不知道韋伯會(huì)讓我們發(fā)現(xiàn)什么，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(gè)激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)時(shí)代的邊緣?！?/p>
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(yuǎn)鏡升空：史上最大最昂貴，將探索宇宙起源.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.
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