韋布空間望遠鏡背后的人與事

編譯 李威

1987年的一天早晨，時任美國空間望遠鏡研究所所長（同時也是當(dāng)時即將升空的哈勃望遠鏡項目的負責(zé)人）的天體物理學(xué)家里卡爾多·賈科尼（Riccardo Giacconi）要求當(dāng)時的副所長加斯·伊林沃思（Garth Illingworth）開始考慮哈勃望遠鏡繼任者事宜?！拔耶?dāng)時的第一反應(yīng)是，啊，哈勃都還沒上天呢，還有這么多事要處理——有些問題還很大——我們怎么可能騰出手來，同時考慮繼任者的事？”伊林沃思近些年回憶起當(dāng)時的情境時說，“他說，相信我，必須早點籌備，因為我知道，這需要很長很長時間。”哈勃空間望遠鏡項目早在1970年左右就啟動了，最初的領(lǐng)導(dǎo)人是美國宇航局（NASA）天文學(xué)家南?！ち_曼（Nancy Roman），后續(xù)幾十年領(lǐng)導(dǎo)項目的則是普林斯頓的萊曼·施皮策（Lyman Spitzer）。他倆也因此被譽為哈勃的母親和父親。

伊林沃思來自澳大利亞，接到賈科尼的指令后，就同空間望遠鏡研究所的同事——法國人皮埃爾·貝利（Pierre Bely）和美國人彼得·斯托克曼（Peter Stockman）一起為下一代空間望遠鏡集思廣益。當(dāng)時，他們沒有任何可以借鑒的材料?！拔覀兪紫认氲降氖牵鯓硬拍艹焦?，填補哈勃的缺陷，并且探索全新的領(lǐng)域，”伊林沃思說，“于是，我們很自然地想到了紅外領(lǐng)域?！钡孛嫔系耐h鏡很難準確探測到紅外波段的光，主要是因為地面的紅外干擾太多。伊林沃思三人認為，在宇宙空間中，紅外背景強度大概只有地面的百萬分之一左右，應(yīng)該足以使空間望遠鏡準確地從紅外波段觀測天體。“如果我們能在那個地方安置一架功能強大的望遠鏡，那就打開了廣袤科學(xué)領(lǐng)域的大門。”

哈勃空間望遠鏡的主鏡直徑達到了2.4米。伊林沃思、貝利和斯托克曼意識到，紅外望遠鏡的性能要想達到哈勃級別，就一定會變得非常龐大，因為它探測的波段更長。于是，他們很自然地想到，這架新望遠鏡的鏡面在升空時一定要折疊起來，只有這樣才能搭載到火箭上。此外，望遠鏡的工作溫度也一定會很低，因為傳感器對溫度極其敏感。他們想到的解決方法并不是主動冷卻望遠鏡，而是利用外層空間的極度嚴寒阻隔來自地球、月亮和太陽的熱量。彼時的伊林沃思等人對這個哈勃繼任者只有模糊的概念，只知道應(yīng)該是一架采取被動冷卻方式的大型紅外望遠鏡。而如今，這個繼任者正式開啟了科學(xué)發(fā)現(xiàn)之旅。

1989年，頂尖天文學(xué)家云集空間望遠鏡科學(xué)研究所，討論紅外空間望遠鏡能夠勝任的科學(xué)任務(wù)。不過，哈勃望遠鏡起步階段就遭遇重創(chuàng)，后續(xù)又耗費大量人力、物力補救，大大阻滯了這番討論。20世紀90年代中期，討論重啟。1995年，當(dāng)時在戈達德空間飛行研究中心任職的約翰·馬瑟（John Mather）接到了一通來自美國宇航局總部的電話，后者詢問這位彬彬有禮的紳士是否有興趣加入新一代空間望遠鏡項目。馬瑟意識到紅外空間望遠鏡“能有力幫助許多人”，便放下了手頭的一切，答應(yīng)了美國宇航局的邀約。自那之后，馬瑟就一直是詹姆斯·韋布空間望遠鏡項目的頂尖科學(xué)家。

馬瑟稱自己是一個“理論工具建造者”。他還是個孩子的時候，就在風(fēng)景如畫的新澤西自己制作望遠鏡了。當(dāng)時，他按照望遠鏡制作手冊收集各種用得上的零件，期望能一窺火星表面的情況。20世紀70年代，青年馬瑟試圖制作一架裝載在氣球上的望遠鏡，但最后失敗了。事后，他和同事總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，認為問題出在發(fā)射前測試太少?！澳贫捎忠淮蔚玫搅蓑炞C?！瘪R瑟在自傳中寫道。不過，這個教訓(xùn)也促成了“宇宙背景探測器”（COBE）的巨大成就?！坝钪姹尘疤綔y器”是美國宇航局主導(dǎo)的一項衛(wèi)星實驗，其成果讓馬瑟和喬治·斯穆特（George Smoot）分享了2006年諾貝爾物理學(xué)獎。20世紀90年代初，COBE測量了宇宙微波背景輻射的細微變化——學(xué)界認為，這些變化正是后續(xù)一切宇宙結(jié)構(gòu)的起源。馬瑟認為，從理論層面研究宇宙當(dāng)然沒有問題，但必須借助可靠的儀器才能獲取堅實的證據(jù)?！八?，我們就決定建造這樣的設(shè)備，”馬瑟在2021年秋天說，“對我來說，這簡直是件英雄般的工作?！?/p>

美國宇航局戈達德空間飛行研究中心天體物理學(xué)家約翰·馬瑟，他擔(dān)任詹姆斯·韋布空間望遠鏡項目頂尖科學(xué)家已有25年之久

很多大膽的設(shè)計正是馬瑟構(gòu)思的，比如折疊望遠鏡的想法。然而，在1996年預(yù)算吃緊的大背景下，一個研究紅外望遠鏡的頂尖科學(xué)家委員會提出了4米主鏡的項目計劃，這樣一來，望遠鏡無須折疊就能裝載到火箭上，也就大大降低了成本和復(fù)雜度。伊林沃思認為這個方案“非常愚蠢，按照這個方案，新望遠鏡的性能比不上哈勃”。當(dāng)時的美國宇航局局長丹·戈爾?。―an Goldin）觀點也與伊林沃思等人類似。戈爾丁在那年的美國天文學(xué)會大會上發(fā)表演說時提道：“為什么你們會提出這樣一個不倫不類的方案？六七米的主鏡有什么不可以？”大會委員會成員溫迪·弗里德曼（Wendy Freedman）后來回憶說，“戈爾丁其實是在說，你們這群人怎么膽子這么??？”戈爾丁發(fā)完言后，大家起立為他鼓掌?！拔矣X得，他拯救了詹姆斯·韋布望遠鏡?！币亮治炙颊f。戈爾丁定下了項目基調(diào)，意味著哈勃繼任者的主鏡只會更大，當(dāng)然也意味著這架望遠鏡升空時必須折疊起來。

有那么一段時間，科學(xué)家還討論過8米口徑空間望遠鏡這個聽上去就令人熱血沸騰的計劃，不過，美國宇航局最終還是在2001年敲定，新一代空間望遠鏡的口徑為6.5米，集光面積是哈勃的6倍多。下一個要解決的問題自然就是：要怎么把6.5米口徑的望遠鏡塞到寬度只有5.4米的火箭整流罩里？

“這個項目要解決的一大重要問題就是要怎么把望遠鏡折疊起來。”馬瑟說。各大承包商紛紛拿出方案，互相競爭。洛克希德·馬丁公司設(shè)計的望遠鏡折疊起來時就像一朵擁有6片花瓣的花朵，波爾航天公司的設(shè)計就像一張折疊起來的桌子。而天合公司（TRW）則提出，望遠鏡可以像老式唱片機取放唱片那樣折疊起來。馬瑟和他的團隊在深思熟慮一年后，決定取各家之長。主承包商確定為TRW，因為這家公司擁有為美國軍方建造復(fù)雜衛(wèi)星的豐富經(jīng)驗，并且成功地完成了錢德拉X射線天文臺項目。（不久之后，TRW被諾斯羅普·格魯曼公司收購了。）望遠鏡主鏡的設(shè)計則很大程度上參考了波爾航天公司的方案：18塊六邊形子鏡面構(gòu)成一個可以兩面折疊的大六邊形。同時，美國宇航局還吸納洛克希德·馬丁公司方案的提出者邁克·門澤爾（Mike Menzel）擔(dān)任韋布望遠鏡項目的總工程師。

望遠鏡的鏡面由鈹制成——這種輕盈但堅韌的材料在粉末狀時有毒。（“鈹有毒，這讓我們很頭痛，但只有它有用?！瘪R瑟說。）鈹粉在俄亥俄州壓制成塊，接著送到亞拉巴馬州切割成形。然后，工作人員又會給這18塊子鏡面覆上一層金——這種材料能極有效地反射紅外線——最后，鏡面會在位于加利福尼亞的一家專門為這個項目建造的工廠中拋光?！澳ブ?、拋光望遠鏡鏡面是一門擁有數(shù)百年歷史的黑暗藝術(shù)?！北壤麜r-英國天文學(xué)家、負責(zé)研制中紅外儀器（MIRI，韋布空間望遠鏡上的一個關(guān)鍵部件）的薩拉·肯德魯（Sarah Kendrew）說。

為了讓這18塊子鏡面在宇宙空間中準確對焦，就必須使用精度前所未有之高的發(fā)動機?！斑@種發(fā)動機是我們必須立刻發(fā)明的，”馬瑟說，“如果做不到，那整個望遠鏡都沒法正常工作?！辈柡教旃狙兄频闹苿悠髂軌蛞?0納米（一根頭發(fā)直徑的萬分之一）的精度推動每塊覆著金膜的子鏡面。馬瑟說，這些發(fā)動機的工作原理其實就是“分解”，或者說“將一個大運動分解成無數(shù)小運動”。雖然波爾航天公司的發(fā)動機設(shè)計使用的是納稅人的錢，但獲取了專利?！耙虼?，我們給望遠鏡拍照時必須確保沒有拍到這些發(fā)動機?！瘪R瑟說。

2002年，新一代空間望遠鏡項目有了名字。時任美國宇航局局長的肖恩·奧基夫（Sean O’Keefe）打破了用科學(xué)家的名字命名的傳統(tǒng)——比如，哈勃望遠鏡就是以美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名的——轉(zhuǎn)而使用了美國宇航局第二任局長、主導(dǎo)了“阿波羅計劃”的詹姆斯·韋布（James Webb）的名字。這個方案剛一公布就不受天文學(xué)家的待見，并且后來反對的聲音越來越大。就在2020年，還有1 200名天文學(xué)家簽署請愿書，要求給這架望遠鏡改名，理由是他們認為韋布在“薰衣草恐慌”期間支持解雇同性戀政府雇員（至少是對此默不作聲）。美國宇航局則在調(diào)查之后于當(dāng)年10月宣布，歷史學(xué)家并沒有找到相關(guān)證據(jù)，也沒有任何其他支持改名的理由。

多家機構(gòu)與美國宇航局簽訂了合作協(xié)議——比如亞利桑那大學(xué)和歐洲空間局——負責(zé)研制照相機、光譜儀和日冕儀等設(shè)備。工作時，這些設(shè)備都會旋進到光學(xué)焦點位置，分割匯聚在此處的紅外線光。作為回報，這些合作機構(gòu)可以獲取韋布望遠鏡的大量觀測時間。

從某種意義上說，紅外望遠鏡最后能發(fā)揮多大的作用很大程度上取決于遮陽罩這種脆弱的部件。研制團隊很快就選定用卡普頓制作韋布望遠鏡的遮陽罩。這種銀色的薄塑料看上去就像是薯片包裝袋的內(nèi)部，但厚度只有一根頭發(fā)的直徑。由于卡普頓存在不小的撕裂風(fēng)險，保險起見，需要給望遠鏡安裝多層遮陽罩——研制團隊最后決定給韋布望遠鏡裝5層遮陽罩——每層遮陽罩都必須充分展開，且互相之間必須分離，然后用吊臂、纜繩和細繩系緊。望遠鏡的推進系統(tǒng)和太陽能電池板安裝在向陽面，工作溫度低于-223℃的光學(xué)儀器則藏在背陽面?！罢材匪埂ろf布空間望遠鏡應(yīng)用了很多開創(chuàng)性技術(shù)，非常多，而且這些技術(shù)都很有意義，”總工程師門澤爾告訴我，“遮陽罩就是其中之一?！?/p>

美國宇航局戈達德空間飛行中心的邁克·門澤爾是詹姆斯·韋布空間望遠鏡的首席系統(tǒng)工程師——也是這個項目的總工程師

門澤爾身材敦實，濃密的灰色胡須總是修剪得整整齊齊。他在詹姆斯·韋布空間望遠鏡這個有史以來最為復(fù)雜的工程項目（之一）中監(jiān)管著成千上萬人的工作。門澤爾就是那種會直接告訴你自己身世、背景的直爽人士。他出生于新澤西州伊麗莎白市——家就在高速公路的13號出口附近——父親是一位出租車司機。在最近一次的視頻采訪中，門澤爾手舞足蹈地給我解釋制造韋布望遠鏡遮陽罩時遇到的挑戰(zhàn)?！叭绻窍耖T這樣剛性的東西，只需要加上一條性能良好的鉸鏈，就能掌握它的運動方式，但遮陽罩類似于毯子，松松垮垮。你把毯子鋪到床上的時候，能預(yù)測到它最后會變成什么樣子嗎？太難了。負責(zé)拉緊遮陽罩的繩子也是一樣，可能有100萬種各不相同的移動方式。更糟糕的是，我們還得在零重力環(huán)境中處理這些問題，這些材料都有可能到你不想讓它們?nèi)サ牡胤??！庇谑?，順利展開遮陽罩就“成了一個非常棘手的問題”。

2004年前后，美國宇航局工程師查克·佩里戈（Chuck Perrygo）和基思·帕里什（Keith Parrish）來到門澤爾在戈達德的辦公室，表示他們有辦法解決遮陽罩的問題。佩里戈拿起門澤爾辦公桌上的一張紙，折成Z型。他提出，遮陽罩可以折疊成很多個這樣的Z型，這種方式有時被叫作“手風(fēng)琴式”折疊?！拔液苌瞄L判斷方案的對與錯，”門澤爾拿起一張折成Z型的紙對我說，“所以，我們都覺得這的確值得一試。”另一邊，諾斯羅普·格魯曼公司也獨立得出了類似結(jié)論。

下一個問題就是，怎樣才能在遮陽罩做好展開準備之前保持手風(fēng)琴式折疊狀態(tài)。諾斯羅普·格魯曼公司的一位工程師安迪·道（Andy Tao）找到了解決方法：遮陽罩安裝在107根固定針上，這些針在遮陽罩展開之前像貓爪一樣收在一起。

固定針方案又帶來了另一個棘手的問題：有針，必然就有針孔。萬一展開之后，5層遮陽罩上的針孔碰巧排列成一直線，就會有陽光照進來，加熱光學(xué)部件?！斑@就是一個事先怎么也想不到的細節(jié)。只有在真正開始工作之后，你才會突然意識到，啊，天哪，只要有5個針孔排成一直線，就會讓太陽光進來了，”門澤爾說，“這聽上去發(fā)生的概率不高，但足夠讓安迪煩惱了。幸好上帝保佑，他找到了解決方法?！卑驳辖?jīng)過大量測試后，找到了一種合適的固定針排布方案，確保無論5層遮陽罩（每層的尺寸都有輕微差異）以何種角度展開，上面的針孔都不會排成一直線。

一個又一個這樣的小問題不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致項目進展緩慢，天文學(xué)家開始把這種情況稱為“詹姆斯·韋布空間望遠鏡問題”。1996年時，馬瑟和他的團隊估測，詹姆斯·韋布空間望遠鏡的成本為5.64億美元——為了過國會那關(guān)提出的這個數(shù)字確實是有點少了——發(fā)射時間為2007年。后來，項目成本一路飆升，發(fā)射時間一推再推，國會開始變得有些不耐煩了。2011年，詹姆斯·韋布空間望遠鏡項目幾乎被取消，幸好小學(xué)生們寫信給華盛頓表示對這個項目的大力支持，然后又是參議員米庫爾斯基（Barbara Mikulski）出馬，拯救了美國宇航局的這個項目。

在戈達德空間飛行研究中心、諾斯羅普·格魯曼公司、波爾航天公司等機構(gòu)，各種玻璃、金屬、塑料在潔凈房間內(nèi)一點一點地拼接起來。但望遠鏡沒法一組裝好就發(fā)射升空，因為它的目的地遠在150萬公里之外，宇航員沒法像修理哈勃望遠鏡那樣，拿著扳手上去修。就像諾斯羅普·格魯曼公司工程署喬恩·阿倫伯格（Jon Arenberg）說的那樣，“這就是一錘子買賣”。韋布望遠鏡只有一次機會，一次就得成功，就得完美無瑕。這就意味著，這架望遠鏡必須在地球上接受各方各面的無數(shù)測試。在2017和2018年的測試中，問題一個接著一個地出現(xiàn)了。

一次“晃動測試”結(jié)束之后，一些原本應(yīng)該固定遮陽罩的螺絲和墊圈散落在了地上——沒有上好。有一次，遮陽罩被劃破了。還有一次，遮陽罩展開了，但有一根繩纏住了不該纏的部件。

望遠鏡在運往位于休斯敦的約翰遜宇航中心后，被安置在一間“阿波羅計劃”宇航員練習(xí)月面行走的艙室內(nèi)。不過此時，這間艙室為了模擬外太空環(huán)境被冷卻了。韋布望遠鏡在此地接受測試時還遇上了一件大麻煩。當(dāng)薩拉·肯德魯（Sarah Kendrew）等儀器制造人員測試冷硬件的時候，颶風(fēng)“哈維”來了。整個休斯敦都被洪水淹沒，但韋布建造團隊最憂心的還是液氮的供應(yīng)問題。一旦液氮耗盡，望遠鏡的溫度就會快速上升，所有儀器都會損壞。作為一項對整個國家都舉足輕重的工程項目，研究團隊只好冒險要求液氮供應(yīng)商開卡車穿越洪水。

問題還沒完。2021年早些時候，研制人員發(fā)現(xiàn)，負責(zé)將信號數(shù)據(jù)傳送回地球的應(yīng)答器出現(xiàn)故障，必須修復(fù)?！耙粋€環(huán)節(jié)的推遲會導(dǎo)致一系列后續(xù)問題，”特倫布萊說，“以及成本的上升。詹姆斯·韋布望遠鏡在真空、低溫艙室內(nèi)每待一個月，就要花費1 000萬美元?！彪S著成本的上升，這個項目越發(fā)不能失敗?！叭绻绹詈骄衷敢饷案蟮娘L(fēng)險，那么韋布望遠鏡的項目成本甚至可以減半。”特倫布萊解釋說。

不過，最后，所有問題都還是解決了。諾斯羅普·格魯曼公司的工程師們數(shù)次成功地在位于加利福尼亞州雷東多比奇的工廠內(nèi)展開遮陽罩。然而，按照門澤爾的說法，即便5層閃閃發(fā)亮的遮陽罩都能順利展開了，“我們也并沒有你想象的那么高興，因為我們都知道遮陽罩最后仍舊會回到上次折疊起來時的樣子”。

2017年12月1日，在大約100天的低溫測試之后，韋布望遠鏡在休斯敦約翰遜宇航中心的一間真空艙室內(nèi)亮相了。艙室內(nèi)，望遠鏡所在的環(huán)境類似太空，寒冷且沒有空氣，但基地外面則是“哈維”颶風(fēng)肆虐

韋布望遠鏡項目最后的總成本接近100億美元，幾乎是最初預(yù)算的20倍，不過還是要比航天飛機項目成本低一些。好事多磨的是，新冠疫情的出現(xiàn)又再次推遲了韋布的上天時間。好在，韋布在2021年年末發(fā)射升空。2021年9月，望遠鏡在雷東多比奇通過了最后一次測試：把金色的遮陽罩固定起來，讓整架望遠鏡翻個面，接著正過來，以檢測是否有什么部件發(fā)生變化。通過測試后，韋布望遠鏡就被側(cè)著放到了一個集裝箱內(nèi)拖走了。那天，從一開始就深度參與這個項目的加斯·伊林沃斯親自到雷東多比奇，目送望遠鏡離開?！巴h鏡就聳立在那里，高大且雄偉，”他在一封電子郵件中寫道，“第二天，潔凈室內(nèi)空空如也，一件與韋布相關(guān)的設(shè)備都沒留下?！毖b著韋布的集裝箱離開加利福尼亞的確切時間是保密信息——主要是為了防范公海上的海盜——但在10月初，韋布就漂洋過海穿過了巴拿馬海峽，抵達法屬圭亞那。這個地方離赤道比較近，歐洲空間局在此地發(fā)射加強版阿麗亞娜5型火箭，可以有效利用地球自轉(zhuǎn)。

在韋布望遠鏡奔向L2的旅程（大約需要1個月）中，科學(xué)團隊則忙著演練望遠鏡抵達目的地后5個月試運行期內(nèi)他們在巴爾的摩24小時不間斷的工作日程?！澳銌栁矣袥]有信心？”門澤爾說，“答案是肯定的，我確信我們已經(jīng)做到了能做的一切?，F(xiàn)在的項目風(fēng)險非常小。韋布上天后也一定會一樣好。我相當(dāng)確信，我們能取得成功?！?/p>

位于馬里蘭州的美國宇航局戈達德空間飛行研究中心潔凈室內(nèi)，一名工程師正在檢測韋布的子鏡面。2021年2月，一位技術(shù)人員幫著收起了遮陽罩——這是最后一次這樣做了

“有沒有哪里會出錯？但愿不會。”

哈勃正常工作之后，人類對宇宙的認識就立即上了一個臺階，就像是近視了的孩童第一次戴上眼鏡一樣。哈勃的發(fā)現(xiàn)還讓我們意識到，宇宙中存在大量看不見的物質(zhì)。

1998年，兩支互相競爭的天文學(xué)家團隊都使用包括哈勃在內(nèi)的諸多望遠鏡觀測遙遠星系中的超新星爆發(fā)現(xiàn)象，并且由此確定，宇宙的確在加速膨脹。這就意味著，宇宙空間中存在看不見的膨脹“加速劑”，也即所謂的暗能量。暗能量在宇宙空間中的占比很高，達到了物質(zhì)總量的70%。（剩下的30%中，26%是暗物質(zhì)，4%是發(fā)光原子和輻射。）

其他謎團也很快浮現(xiàn)。天文學(xué)家溫迪·弗里德曼用哈勃望遠鏡觀測了一種叫作“造父變星”的脈沖星。2001年，她和團隊成員又進一步測量了宇宙目前的膨脹速度，精度達到10%——相比之前的測量結(jié)果來說，這是很大的進步了。從弗里德曼公布測量結(jié)果時起，宇宙膨脹速率就成了宇宙學(xué)領(lǐng)域爭議的中心。問題的關(guān)鍵在于，理論物理學(xué)家根據(jù)已知宇宙物質(zhì)和相關(guān)公式推導(dǎo)出的膨脹速率小于弗里德曼等學(xué)者的測量結(jié)果。這種快速膨脹意味著，宇宙中除了暗物質(zhì)和暗能量，或許還有其他我們不知道的物質(zhì)存在。然而，在這個問題上頗有發(fā)言權(quán)的弗里德曼本人卻相當(dāng)冷靜。她認為，那些測量結(jié)果未必完全可靠。韋布空間望遠鏡正式工作之后，弗里德曼將會領(lǐng)導(dǎo)一支觀測團隊，利用這件利器更細致地研究造父變星等天體。他們希望能夠更加精確地測量宇宙膨脹速率，從而確定宇宙中究竟是否還有未知基本物質(zhì)。

芝加哥大學(xué)天文學(xué)家溫迪·弗里德曼，她測量得到的宇宙膨脹率結(jié)果越來越準確了

與此同時，哈勃深空照相機拍攝到的照片講述了一個關(guān)于星系演化的震撼故事，極大程度擴展了人類對宇宙歷史的認識。不過，這個故事的開篇幾章——也是最關(guān)鍵的幾章——仍舊是謎團，留待韋布為我們揭曉。

在過去的20年里，亞利桑那大學(xué)資深教授、紅外天文學(xué)先驅(qū)之一瑪西亞·里克（Marcia Rieke）一直在監(jiān)管近紅外照相機（韋布望遠鏡四大主要科學(xué)儀器之一）的設(shè)計和制造。她和她的亞利桑那團隊正計劃將分配給他們的900個小時觀測時間（這很多了）中的一半多用來做一項新的深空研究——這項研究將前所未有地深入。哈勃只能看到“10倍紅移”（對應(yīng)大爆炸之后5億年）星系的模糊光點，而韋布則應(yīng)該不僅可以相當(dāng)清晰地看到這些光點，還能看到萌發(fā)于更早時期（或許可以追溯到大爆炸之后5 000萬年至1億年）的此前從未見過的星系。

里克和她的團隊能夠比哈勃深空照相機做得更好。他們先會借助韋布的近紅外照相機拍攝黑暗的目標天區(qū)，然后認證出這片區(qū)域內(nèi)距我們最遠的星系，并借助韋布的近紅外光譜儀取得這個星系的光譜，最后，里克就能和她的同事們根據(jù)星系光譜推斷其化學(xué)組成。而哈勃壓根就沒有光譜儀。

光譜是一項非常重要的數(shù)據(jù)，因為它能告訴我們，各個原星系擁有那些元素周期表內(nèi)的元素以及這些元素隨時間變化的情況。按照現(xiàn)有理論，最標準的情況應(yīng)該是，原初氣體云、恒星和星系基本都由氫構(gòu)成，超新星等爆發(fā)事件則慢慢地鍛造出更重的元素?！叭欢?，總有一些奇怪的事，”里克說，“接近哈勃望遠鏡觀測極限的地方，有一種叫作‘類星體’的天體。所謂類星體，實際上是由超大質(zhì)量黑洞供能的超明亮星系核心。目前看來，這種天體的化學(xué)組成似乎和太陽差不多。這實在是令人難以相信。所以，宇宙誕生之初一定發(fā)生了一些我們現(xiàn)在還沒有弄明白的事?！?/p>

哈勃空間望遠鏡在低地球軌道工作，與我們之間的距離不遠，在航天飛機的航程之內(nèi)。這張照片拍攝于哈勃第四次維修任務(wù)期間（2002年）。2009年，航天飛機載著宇航員執(zhí)行了第五次和最后一次哈勃維修任務(wù)

天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家都迫切希望看到第一代恒星和星系，其中的原因恐怕和他們的人數(shù)一樣多。在斯坦福大學(xué)宇宙學(xué)家麗薩·韋徹斯勒（Risa Wechsler）看來，這是一種觀察暗物質(zhì)形成過程的方式。韋布正式投入工作后，麗薩和同事們將會借助這架望遠鏡觀測到的原初星系數(shù)據(jù)分析出暗物質(zhì)暈（這種物質(zhì)在早期宇宙中一定存在）的尺寸分布以及形成時間。他們或許可以從分析中得知，暗物質(zhì)究竟是“冷”（由緩慢移動的粒子構(gòu)成），還是“熱”（由快速移動的粒子構(gòu)成），因為四處亂飛的粒子需要更長時間才能聚集形成暗物質(zhì)暈。這種“冷熱”檢測將是我們探求暗物質(zhì)本質(zhì)的重要線索。

還有一些研究人員則對第一代恒星頗感興趣。部分學(xué)者認為，韋布能觀測到所謂的“第三族恒星”——按照現(xiàn)在的假說，這些宇宙原初時代的“巨獸”恒星質(zhì)量大概是我們太陽的1萬倍。對這類恒星的研究或許還有助于揭開另一個有關(guān)星系形成的重大謎團：為什么星系演化到最后中心區(qū)域總是會出現(xiàn)超大質(zhì)量黑洞？（超大質(zhì)量黑洞就是一些物理尺寸非常小但是引力效應(yīng)異常強大的天體，質(zhì)量可以達到太陽的數(shù)十億倍。）目前，沒有人知道超大質(zhì)量黑洞是怎么長成那么重的，也沒人知道它們的特性什么時候、出于什么原因同所在星系聯(lián)系在了一起。有一種理論認為，這些黑洞是從第三族恒星演化而來的，但像這樣的理論有很多很多，它們都沒有得到堅實證據(jù)的支持。韋布空間望遠鏡會尋找與各種理論相關(guān)的天體特征。

理論物理學(xué)家已經(jīng)做了各種計算機模擬，得到了天體結(jié)構(gòu)在早期宇宙中的諸多產(chǎn)生方式。然而，他們就是沒法在計算機上以宇宙微波背景輻射為起點模擬出后續(xù)事件。“很多初始條件我們都不明白，比如磁場、氣體云中的湍流數(shù)量?！崩锟嗽趤喞Ｄ谴髮W(xué)的同事、負責(zé)模擬恒星和星系形成的理論物理學(xué)家彼得·貝魯茲（Peter Behroozi）說。他還表示，要想以宇宙微波背景輻射中的一大片密度極小的物質(zhì)點為開端，模擬出哪怕一片會發(fā)生引力收縮進而產(chǎn)生恒星的小氣體云，都是一件“龐雜的任務(wù)”。

“通常情況下，人們會跳過這個階段，”貝魯茲說，“直接從一團球狀氣體云開始研究。既然不知道（暗物質(zhì)）團塊的尺寸分布，那就索性猜測一下。既然不知道磁場的情況，不知道任何有關(guān)氣體自旋和湍流的信息，就索性全部用上猜測值?！?/p>

這種猜測行動最近還大有愈演愈烈的趨勢，因為學(xué)者們都想在韋布望遠鏡揭曉恒星和星系形成的真正謎底之前，說出自己的判斷，萬一符合觀測結(jié)果，那就青史留名了。要知道，即便是最保守的猜測，也能產(chǎn)生大相徑庭的模擬結(jié)果。“我從自己的研究中得出了一個重要結(jié)論，”貝魯茲說，“那就是，即便是你盡力去做盡可能合理的猜測，也完全不知道韋布望遠鏡最后究竟會看到什么?！?/p>

娜塔莉·巴塔爾哈（Natalie Batalha）的第二個孩子娜塔莎·巴塔爾哈（Natasha Batalha）在去佛羅里達觀看開普勒望遠鏡發(fā)射升空時18歲。她到現(xiàn)在都還記得同妹妹一起去到觀景室時的場景——那里擠滿了NASA科學(xué)團隊的成員?！盎鸺盏倪^程中，空氣中彌漫的緊張情緒令所有人不寒而栗?！蹦人谧罱囊淮我曨l通話中說道。望遠鏡順利上天后，現(xiàn)場一片歡騰。她發(fā)現(xiàn)，能親眼見證科學(xué)團隊取得這樣重大的成就，確實令人激動?！暗低庑行钦嬲_始成為我腦海中的正經(jīng)科學(xué)概念”是因為，有了開普勒望遠鏡這樣的設(shè)備，我們才終于有可能觸及這方面的堅實證據(jù)。娜塔莎和她母親一樣，用詞精準、態(tài)度嚴肅。

在巴塔爾哈家里，太空并不是一個經(jīng)常討論的話題?！拔也幌牒⒆觽兊纳罾镏挥锌茖W(xué)，”娜塔莉·巴塔爾哈說，“我一直在努力的，是讓他們覺得自己就是最棒的?！辈贿^，她和丈夫塞爾索（Celso Batalha）對娜塔莎確實有一番“沒有言說的期待”。1996年的一天晚上，塞爾索在大學(xué)里上夜課，娜塔莉載著半睡半醒的孩子們?nèi)ヒ黄_闊的草地觀測那晚過境的百武彗星。在他們駛出車道之前，當(dāng)時5歲的娜塔莎坐在后座上問：“那是什么？”她指的正是百武彗星。

娜塔莎8歲時他們一家住在巴西，母親要他們幾個兄弟姐妹畫出天文學(xué)家的樣子。娜塔莎畫了一個白人。母親問她為什么這么畫?！艾F(xiàn)在想想，我當(dāng)時的這個舉動實在是太不可思議了。我的父親是一位拉丁裔科學(xué)家，而母親則是一位女性科學(xué)家。我得承認，對當(dāng)時的我來說，某些東西已經(jīng)成為思維定式。”娜塔莎說。不過，也是從那時起，她突然產(chǎn)生了自己也可以從事科學(xué)工作的想法，而且這個想法令她充滿力量。

四年級時的娜塔莎·巴塔爾哈，照片攝于2001年

幾年后，娜塔莎又讀了薩利·里德的自傳。她母親當(dāng)年就是受到了里德事跡的激勵，而娜塔莎更是在讀完里德自傳后決定，要么當(dāng)天文學(xué)家，要么當(dāng)宇航員。她的夢想是成為登陸火星的第一人。在開普勒望遠鏡升空之后，人類發(fā)現(xiàn)了越來越多的系外行星，娜塔莎對地外生命存在的可能也越來越感興趣。此外，她還很好奇，我們怎么通過望遠鏡觀測推導(dǎo)出系外行星上有沒有生命。懷揣著這樣的夢想，娜塔莎拿到了天文學(xué)和天體生物學(xué)兩個博士學(xué)位。接著，在開普勒望遠鏡“退休”后不久，她的母親離開了美國宇航局埃姆斯研究中心，在加州大學(xué)圣克魯茲分校擔(dān)任教授，而娜塔莎則進入NASA工作，研究系外行星大氣。

娜塔莎·巴塔爾哈所在的這個科研圈子，如今正快速壯大。他們的終極目標是探測到“生命標志氣體”——這種氣體要是在行星大氣中出現(xiàn)，那就只可能是生命活動產(chǎn)生的。每一種分子吸收的波長都不一樣，因此稱為分子的“特征波長”。所以，只要在行星運行到恒星前面時測量恒星星光，并將結(jié)果與行星不在恒星前方時測得的結(jié)果做比較，核查恒星星光被行星部分遮擋時，哪個波長的光變?nèi)趿?，就能知道行星大氣中存在何種氣體分子。

氧氣顯然是一個很容易想到的“生命標志氣體”候選者。這種氣體分子的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，除非目標行星上的氧氣能夠得到不間斷補充——比如說通過生態(tài)圈的光合作用——否則大氣中不太可能留存氧氣分子。光合作用是一種簡單而高效的能量獲取機制，天體生物學(xué)家認為，所有擁有生命的行星很可能都會演化出這種機制。因此，氧氣的確是一個非常值得一試的尋找目標。

不過，僅僅只是觀測到氧氣，還不足以說明目標行星上棲息著生命。計算機模擬表明，在某些情況下，氧氣可以充斥無生命行星大氣。“現(xiàn)在的問題在于，還沒有任何一種氣體可以成為真正的生命標志氣體，”行星科學(xué)家哈默爾（Hammel）說，“地球大氣中的大部分甲烷都是奶牛釋放的……但你看看海王星，會發(fā)現(xiàn)上面有數(shù)不清的甲烷，卻沒有一個甲烷氣體分子是奶牛產(chǎn)生的?！?/p>

更好的生命標志物是多種特定氣體的混合?！吧鼧酥練怏w不太會是單一氣體，很可能是多種氣體以特定比例混合，這意味著目標行星大氣處于非平衡狀態(tài)，”哈默爾說道，“而這，是天然（無生命）途徑無法形成的。”

韋布之前的望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了部分熱木星大氣中的分子指紋，但這些行星上都沒有生命。要想探測到體積更?。ㄒ蚨庑盘柛酰┑赡芤司拥膸r石行星的大氣情況，就只有韋布才能勝任了。這架望遠鏡不僅分辨力接近哈勃的100倍，而且能夠清晰得多地在母恒星背景中觀測系外行星，因為行星釋放的紅外光比可見光多，而恒星恰恰相反。更為重要的是，韋布觀測系外行星時不會受到行星云層的影響——光學(xué)望遠鏡之所以無法看清系外行星密度最高的低層大氣往往就是因為云層的遮擋?！跋胂笠幌伦w機時的場景，從舷窗往下看去，云厚得令人發(fā)瘋，根本看不見地表的情況，”娜塔莎·巴塔爾哈說，“但如果改從紅外波段觀測，立刻就能擺脫這些惱人的云層影響?！?/p>

娜塔莉·巴塔爾哈（左）和娜塔莎·巴塔爾哈，照片攝于加利福尼亞利克天文臺外

系外行星是詹姆斯·韋布空間望遠鏡“第一輪觀測”的目標之一。韋布部署并調(diào)試完畢后——大概是升空之后6個月——第一輪觀測就開始了。初期觀測目標包括3顆氣態(tài)巨行星，系外行星研究團隊選舉娜塔莉·巴塔爾哈領(lǐng)導(dǎo)對這三顆行星的掩星光學(xué)研究。她的團隊還會開發(fā)數(shù)據(jù)收集和處理流程，供后續(xù)研究小組參考。

還有一些研究特定課題的天文學(xué)家群體也會參與韋布望遠鏡的第一輪觀測。2020年，2 000多個研究小組提交了觀測項目以競爭韋布望遠鏡的第一輪觀測時間。時間分配委員會挑選了其中266個觀測項目，里面有幾十個涉及觀測系外行星。我視頻采訪哈默爾時，她向我展示了韋布未來將會觀測的數(shù)個特點各不相同的系外行星世界，它們也代表了觀測者的各個關(guān)注點：開普勒16b，圍繞兩顆恒星運動；巨蟹座55e，學(xué)界懷疑它是顆“超級地球”；Trappist-1恒星系（離我們不遠，大概40光年）的7顆巖石行星。（哈默爾本人，作為韋布科學(xué)團隊中的長期科學(xué)家，擁有不小于100個小時的觀測時間。她會讓韋布望遠鏡瀏覽我們的太陽系，重點觀測木星大紅斑，遙遠、神秘的柯伊伯帶天體以及經(jīng)常為人們所忽視但哈默爾本人最喜愛的天王星和海王星——她身后的辦公室沙發(fā)上就放著一對以這兩個天體為原型的毛絨玩具。）

在韋布望遠鏡第一輪觀測的所有系外行星中，娜塔莎·巴塔爾哈認為，3顆位于宜居帶內(nèi)的Trappist行星最有可能探測到生物標志氣體。“Trappist恒星系很特殊，因為這個系統(tǒng)內(nèi)的恒星非常小，所以行星大氣中的氣體特征尺度不用那么大（相對而言），也能讓我們觀測到?！彼f。不過，韋布是否真的可能觀測到系外行星大氣中的生物標志氣體，也仍舊是個有爭議的問題?！盃幷摮３３霈F(xiàn)在氧氣的探測問題上?！彼f。在韋布望遠鏡的靈敏觀測范圍中，的確存在一個氧氣會吸收的紅外波長。因此，從理論上說，當(dāng)一顆大氣氧氣含量頗高的系外行星運行到母恒星前面時，會導(dǎo)致恒星光譜中的那個波段出現(xiàn)顯著的暗淡效應(yīng)。然而娜塔莎還表示，這個波長“正好處于儀器探測極限的邊緣”。其他種類的氣體和氣體組合探測起來的確要容易不少，但確證與生命間聯(lián)系的時候也會更加困難。

或許，韋布望遠鏡也只能認證出可能存在生命的行星，進一步的確證工作要留待后續(xù)的空間望遠鏡完成。實際上，天文學(xué)家現(xiàn)在的確在忙著籌劃這樣的項目。NASA的南?！ち_曼空間望遠鏡，計劃于21世紀20年代末發(fā)射，主要設(shè)計目標是研究暗能量。至于與地球類似的系外行星，按目前的規(guī)劃，則是一架名叫LuvEx的空間望遠鏡的觀測目標。LuvEx的觀測波段將覆蓋紫外、可見光和紅外，如果能得到美國國會資助的話，將會在21世紀40年代中葉發(fā)射升空。

至于屆時我們要觀測哪些內(nèi)容，則取決于未來幾年中的收獲。

2021年春天的一個早晨，娜塔莎·巴塔爾哈醒來后看到了一條同樣研究系外行星的天文學(xué)家同行約翰娜·特斯克（Jonanna Teske）發(fā)來的消息：“我們拿到觀測時間了！”就在那之前不久，韋布第一輪觀測的全部266個項目正式宣布了，巴塔爾哈領(lǐng)導(dǎo)、特斯克擔(dān)任副手的一個項目赫然在列。

在韋布第一輪觀測的所有系外行星項目中，巴塔爾哈和特斯克的這個是規(guī)模最大的：他們會在142小時中，觀測超級地球和亞海王星這樣的系外行星。這類宇宙中大量存在的中等體型“過渡”行星恰恰是我們太陽系中沒有的，它們的成分、宜居性和形成歷史，我們一點也不清楚。假設(shè)在未來幾個月中，一切都順利完成，詹姆斯·韋布空間望遠鏡在對完焦并完成調(diào)試之后，就會為了娜塔莎·巴塔爾哈及其團隊將鏡片對準11顆超級地球和亞海王星。此前，每當(dāng)娜塔莎得知科研進展上的好消息，都會先打電話給特斯克，再打電話給母親。這一次，是否還會如此？

資料來源QuantaMagazine