韋布空間望遠鏡周年：它為何如此卓越

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：王善欽

2022 年 12 月 14 日，《自然》（Nature）雜志公布了 2022 年度時代人物（Nature’s 10），[1] 位列榜首的是詹姆斯?韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱為韋布，除非原文直接引用）的項目科學(xué)家、天體物理學(xué)家 Jane Rigby。

《自然》雜志給 Jane Rigby 的稱號是“天空獵手”（Sky hunter），并稱她為“開拓性的天文學(xué)家”。她入選的原因是“在使詹姆斯?韋布空間望遠鏡進入太空并正常工作、為研究宇宙提供了巨大的新能力方面扮演了關(guān)鍵角色。”[1]

2022 年 12 月 15 日，《科學(xué)》（Science）雜志列出了 2022 年度十大科學(xué)突破，位列第一的是韋布的成功運行。[2][注 1] 相關(guān)網(wǎng)頁頂端為韋布主鏡面的一部分的藝術(shù)圖。

韋布與推動它的天文學(xué)家獲得的榮譽是韋布獲得巨大成功的一個佐證。那么，發(fā)射至今僅一周年的韋布獲得了哪些重要成果，以至于它與推動它的科學(xué)家獲得如此殊榮？它為何會如此強大？它的成功對我們有什么啟迪意義？

韋布獲得了什么成果？

從 2021 年 12 月 25 日升空開始，韋布已經(jīng)在太空中度過了整整一年時間。在這一年時間里，地面上的科學(xué)家們先用約半年時間讓它實現(xiàn)了軌道轉(zhuǎn)移、幾百個操作與測試。此后，韋布進入觀測狀態(tài)，天文學(xué)家將它獲得的第一批觀測數(shù)據(jù)處理為圖像，于 2022 年 7 月 11 與 12 日先后公布。

這批圖像包括：星系團 SMACS J0723.3-7327 所在的天區(qū)的長時間曝光照片、系外行星 WASP-96b 的母恒星 WASP-96 的光變曲線與透射光譜圖、南環(huán)狀星云的圖像、5 個星系構(gòu)成的“斯蒂芬五重奏”（Stephan's Quintet）的圖像、船底座星云的一片區(qū)域（NGC 3324）的圖像。我們此前已經(jīng)介紹過這批結(jié)果，此處不再贅述，有興趣的讀者可點擊閱讀《百億美元投資獲回報：韋布空間望遠鏡的第一批照片有多強？》。

第一批圖像的品質(zhì)與清晰度既滿足了公眾的審美，更滿足了專業(yè)的天文學(xué)家的要求，證明了韋布的卓越性能?？梢哉f，韋布出道即巔峰。在這個巔峰之后，韋布并未走下坡路，而是在不同的領(lǐng)域繼續(xù)攀登新的巔峰。

我們可以分領(lǐng)域簡單總結(jié)第一批成果與至今獲得的新成果。

在“深場”領(lǐng)域，韋布觀測了不同的天區(qū)，拍攝到眾多高紅移（遠距離）星系，其中一些星系的距離打破此前由“哈勃”觀測到的最遠距離星系保持的記錄。對這些星系的深入研究將直接深化人類對早期宇宙內(nèi)星系性質(zhì)的認(rèn)識。韋布在這方面的成功讓人們相信它有望發(fā)現(xiàn)宇宙第一代星系與第一代恒星，它們形成于宇宙大爆炸之后大約 1-2 億年。

在星系領(lǐng)域，韋布拍攝了“斯蒂芬五重奏”、車輪（Cartwheel）星系、活動星系 NGC 7469 等星系的圖像。對這些星系的觀測與研究為人們了解這些星系內(nèi)的恒星、氣體與塵埃分布等信息提供了重要依據(jù)。

在星云領(lǐng)域，韋布拍攝了南環(huán)狀星云、船底座星云、狼蛛星云、獵戶座星云與“創(chuàng)生之柱”的圖像。這些觀測為天文學(xué)家深入研究中小質(zhì)量恒星演化末期、胚胎階段的恒星（“原恒星”）及其周圍相對冷的塵埃與氣體盤的性質(zhì)等課題提供了重要支持。

在太陽系內(nèi)天體領(lǐng)域，韋布觀測了木星、火星、海王星與土衛(wèi)六等天體系統(tǒng)。韋布得到的圖像證實了它在這方面的能力也超過了預(yù)期，未來韋布對太陽系內(nèi)天體的觀測將深化人們對它們的性質(zhì)以及太陽系起源的認(rèn)識。

在系外行星（太陽系外的行星）領(lǐng)域，韋布用凌星法拍攝了系外行星 WASP-96b 的母恒星 WASP-96 的光變曲線與透射光譜圖，并用直接成像法拍攝了系外行星 HIP 65426 b 的圖像。分析表明，韋布用直接成像法探測行星的能力是預(yù)期的 10 倍。雖然韋布不是第一個、更不是唯一能用這種方法拍攝系外行星圖像的望遠鏡，但它在紅外觀測方面的獨特優(yōu)勢是其他眾多望遠鏡不具備的。將來韋布對系外行星的觀測將有望幫助人們確認(rèn)類似于地球的系外行星。

在超新星領(lǐng)域，韋布在 2022 年發(fā)現(xiàn)了 4 顆超新星。[注 2] 在當(dāng)前各種大視場望遠鏡激烈競爭的局面下，視場很小的韋布根本來不及發(fā)現(xiàn)那些近距離超新星就會被其他望遠鏡搶先，因此它發(fā)現(xiàn)的幾乎只能是非常遠的超新星，它們的特點是暗到其他口徑相對小的望遠鏡無法及時發(fā)現(xiàn)。韋布在未來可以發(fā)現(xiàn)更多極遠距離的超新星。[注 3]

韋布為何會如此強大？

韋布的巨大成功來自自身主鏡與儀器的先進功能，以及過去眾多望遠鏡研制過程中提供的正面經(jīng)驗與反面教訓(xùn)。

首先，韋布的主鏡與儀器非常先進。它的口徑（6.5 米）遠大于此前的“哈勃”的口徑（2.4 米）以及斯皮策紅外空間望遠鏡（“斯皮策”）的口徑（0.85 米）。

因此，在觀測同樣的紅外波段時，韋布的分辨率比“哈勃”與“斯皮策”高得多。正因為口徑大得多，韋布觀測同樣目標(biāo)、獲得同樣品質(zhì)的圖像需要的觀測時間就短得多，因此效率高得多。

韋布遠離地球，它具有 5 層防護罩且其中的紅外設(shè)備攜帶額外的制冷機，因此可觀測的波長極限（28 微米）遠超過哈勃可觀測的波長極限（不超過 2.5 微米），因此可以發(fā)現(xiàn)“哈勃”無法發(fā)現(xiàn)的眾多對象，如深藏于星云中的原恒星。

其次，在韋布之前，人類已發(fā)射了大量空間望遠鏡，這些望遠鏡覆蓋了電磁波除射電波段之外的所有波段：伽瑪射線、X 射線、紫外線、光學(xué)（可見光）、紅外線與微波。[注 4] 以紅外空間望遠鏡為例，早在 1983 年，人類就發(fā)射了“紅外天文衛(wèi)星（The Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是人類歷史上第一個紅外空間望遠鏡。這些空間望遠鏡尤其是紅外空間望遠鏡的研制與發(fā)射過程中積累的技術(shù)為韋布提供了大量正面經(jīng)驗。

以技術(shù)借鑒為例，韋布上的中紅外設(shè)備（MIRI）采用的制冷機模式，“哈勃”的 NICMOS 在 2002-2008 年間就應(yīng)用過；韋布的鏡面鍍上黃金薄層，增強反射率，此前的“紅外空間望遠鏡”（The Infrared Telescope in Space，IRTS）與 Akari 衛(wèi)星用過這個方案；韋布用鈹鑄造鏡坯，以提高硬度、溫度適應(yīng)性并降低重量，此前“斯皮策”望遠鏡采用了這個方案。

除了借鑒上述源自空間望遠鏡的方案之外，韋布還借鑒了地面大望遠鏡的多鏡面拼接技術(shù)。這個技術(shù)是地面上 10 米級光學(xué)望遠鏡普遍采用的方案，一些 6-8 米級望遠鏡也使用這個方案。它也是未來的 30-40 米級地面光學(xué)望遠鏡的主流方案之一。因此我們可以說韋布是站在巨人肩膀上的巨人。

韋布強大的第三個因素在于充分吸收了過去一些教訓(xùn)，尤其是“哈勃”的慘痛教訓(xùn)。當(dāng)年工程師磨“哈勃”的主鏡時的輕微偏差，導(dǎo)致“哈勃”的鏡面無法精準(zhǔn)聚光，從而導(dǎo)致所有儀器都受到影響，這不僅讓 NASA 在后來付出了上億美元的代價修復(fù)“哈勃”，長期犧牲一個儀器占位（用于安裝光學(xué)校正器 COSTAR），還使哈勃的性能在 1990 年-1993 年的 3 年間受到了很大負(fù)面影響。直到 1993 年年底，NASA 的宇航員執(zhí)行了維修計劃，才讓“哈勃”一雪前恥、直接封神。

“哈勃”的幾年失敗期使韋布的研發(fā)團隊無比謹(jǐn)慎，韋布的發(fā)射日期也一再推遲，其預(yù)算一路攀升到 100 億美元。這樣的謹(jǐn)慎是必須的，因為韋布的軌道高度比“哈勃”軌道高度高幾千倍，達到 100 多萬千米，比月球還遠得多。一旦韋布出了問題，完全不可能派人上去維修。從韋布升空到開始工作，它必須在地面工程師的遙控下執(zhí)行 344 個關(guān)鍵步驟，任何一個步驟出錯都將宣告它的死亡。這樣的謹(jǐn)慎與耐心為韋布出道即巔峰打下了最堅實的基礎(chǔ)。

韋布強大的第四個因素在于工程師與科學(xué)家們又發(fā)展了大量新技術(shù)。韋布的復(fù)雜程度遠超過此前所有的紅外空間望遠鏡，實際上它的復(fù)雜程度超過了所有望遠鏡，是人類至今為止最復(fù)雜的設(shè)備之一。

由于它的復(fù)雜性，人們不可能僅拼湊此前的一些技術(shù)來實現(xiàn)目標(biāo)，而需要不斷發(fā)展新的技術(shù)。從它內(nèi)部所有的儀器的設(shè)計與制造，到 5 層遮陽罩的設(shè)計、制造、折疊與展開，到望遠鏡主體部分的折疊與展開，到各鏡面對焦，等等，所有這些過程都充滿挑戰(zhàn)性，因此讓全世界最聰明的一部分工程師與科學(xué)家們耗費了大量的智慧與心血。

韋布有什么啟迪意義？

韋布的成功不僅是它自身的成功，也大大激勵了人們對其他空間望遠鏡項目的信心。更重要的是，它的成功會在多個方面啟迪我們。

韋布的成功首先告訴所有有志于獲得重大成果的人與團隊一個最簡單的道理：足夠的耐心、細(xì)心與智慧是獲得重大成果的基本要求。不僅韋布如此，此前的激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）亦是如此，好幾代物理學(xué)家與工程師前仆后繼，終于使它成為世界上第一個探測到引力波的儀器。

韋布的成功也進一步證明了大科學(xué)（Big Science）的價值。過去一百多年來，與觀測與實驗有關(guān)的科學(xué)研究需要付出的代價越來越大，為之服務(wù)的團隊也越來越龐大，一個實驗室涉及幾百人甚至幾千人的情況已不鮮見，這使得科學(xué)走向了大科學(xué)的時代。

在激烈的科技競爭中，不同的國家面臨著艱難的抉擇：是選擇風(fēng)險小而穩(wěn)妥的項目，還是選擇風(fēng)險大而收益高的大科學(xué)項目？這對一個國家科技領(lǐng)域的決策形成了挑戰(zhàn)。韋布的成功讓人們對充滿風(fēng)險也充滿希望的大科學(xué)項目更有信心。

韋布的成功還為后面更宏大的目標(biāo)樹立了標(biāo)桿。將來人們可以用更好的載具發(fā)射更大的紅外空間望遠鏡與觀測其他波段的空間望遠鏡。

我們期望韋布在未來十年獲得的數(shù)據(jù)能夠重塑人類對太陽系內(nèi)天體和太陽系的形成機制的認(rèn)識，加深人類對系外行星與地外生命、星系、各類天體的形成與爆發(fā)以及宇宙自身的認(rèn)識。我們更希望將來會有比韋布更強大的望遠鏡遨游太空，讓人類的知識體系進一步升華。

注釋

[注 1]《科學(xué)》雜志公眾號的中文文章（https://mp.weixin.qq.com/ s / I6kBfXwS24dDSG3le65zWg）稱韋布為“NASA 的明星級新型太空望遠鏡”，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法，因為韋布并不是美國國家航空航天局（NASA）獨自擁有的，而是由 NASA、歐洲空間局（ESA）與加拿大空間局（CSA）共同投資建設(shè)的。

[注 2] 韋布于 2022 年 6 月 22 日發(fā)現(xiàn)超新星 AT2022owj，這是它發(fā)現(xiàn)的第一顆超新星。

[注 3] 例如，它發(fā)現(xiàn)的 AT 2022qmm 在被發(fā)現(xiàn)時的星等是 24.1 等，遠暗于其他大多數(shù)望遠鏡能夠觀測到的極限（一般不暗于 21 等）。

[注 4] 人們沒有發(fā)射射電望遠鏡到太空的原因是：大多數(shù)射電望遠鏡在地面上基本不受大氣影響，少數(shù)要求很高的射電望遠鏡在干燥的高原荒漠區(qū)也會工作地很好。此外，射電望遠鏡需要更大得多的口徑才可以得到與光學(xué)望遠鏡同等的分辨率，而在此前與當(dāng)前，發(fā)射幾十米口徑的射電望遠鏡到太空是不現(xiàn)實的。

參考文獻 / 圖片來源

• [1]https://www.nature.com/immersive/d41586-022-04185-3/index.html

• [2]https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022#section_breakthrough

• [3] Northrop Grumman

• [4]IMAGE: NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI)，SCIENCE: Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration

• [5] ESA/Webb, NASA & CSA, L. Armus, A. S. Evans

• [6] SCIENCE: NASA, ESA, CSA, STScI，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)（左）；SCIENCE: NASA, ESA, CSA, STScI，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Alyssa Pagan (STScI)（右）

• [7]IMAGE: NASA, ESA, CSA, STScI，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Naomi Rowe-Gurney (NASA-GSFC)

• [8]DSS；NASA/ESA/CSA, A. Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI)

• [9] IMAGE: STScI，3D MODEL: NASA, ESA, STScI

• [10] NASA / JPL-Caltech（左）, NASA / ESA / CSA / STScI（右）

• [11]NASA, ESA, CSA, STScI，SCIENCE: Megan Reiter (Rice University)，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI)。

• [12]NASA/JPL

• [13]NASA/MSFC/David Higginbotham

• [14]NASA

• [15]NASA

• [16] Lockheed Martin（上）；Science and Technology Facilities Council（下）

• [17] Northrop Grumman Aerospace Systems

• [18]https://www.ligo.caltech.edu/LA

• [19] NASA, ESA

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