韋布空間望遠鏡如何觀測宇宙之道

劉豐源

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……這些璀璨奪目照片背后的功臣，是人類迄今為止最為先進的空間天文設(shè)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，以下簡稱韋布）的人，也許會感到十分意外——拋開巨大的體積不談，它金黃色的巨大面板棱角分明，還連著一摞奇形怪狀的紫粉色薄膜，似乎和平時我們接觸的望遠鏡相去甚遠。

其實，韋布就像一臺“宇宙相機”：主鏡、副鏡等相當(dāng)于沒有鏡筒的“鏡頭”，而其他部分則相當(dāng)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個六邊形子鏡拼接而成。之所以要設(shè)計成拼接的形式，是因為它實在太大，必須折疊后才能放入火箭的艙室內(nèi)。

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，在短時間內(nèi)就可以產(chǎn)生較高亮度的圖像，從而看見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，我們拍到的天體就有更加豐富的細節(jié)。

完成一場“太空折紙”，并不是一件容易的事。韋布的每個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)過校準(zhǔn)以后，它們會共同組成一個巨大的拋物面，將星光聚攏到副鏡上。為了合成完美的拋物面，在太空中展開后，微型機械馬達必須將各個子鏡無縫對齊，誤差不能超過頭發(fā)絲直徑的萬分之一，其難度可想而知。

經(jīng)過層層反射后，星光進入主鏡中央開口后方的“科學(xué)儀器模塊”中，在那里得到進一步的轉(zhuǎn)換和處理。韋布共攜帶4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微米的波長范圍內(nèi)工作，而近紅外的3臺儀器則在約0.6～5微米的波長范圍內(nèi)工作。相比較而言，人眼看到的光線波長范圍大約僅在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(wèi)星高多了。它們能探測到低至幾納央斯基的流量，假設(shè)把一盞兒童睡覺時開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20倍！

在到達相機底片之前，星光還會經(jīng)過濾光輪，輪上安著10余種不同的濾光片。這些濾光片各自允許特定波長范圍的光線通過，可以根據(jù)電腦指令轉(zhuǎn)動到底片前方。這樣一來，天文學(xué)家拍攝的每一張圖片，就只反映天體在特定波長范圍內(nèi)的輻射情況。在不同濾鏡下拍攝照片，就能得知天體在各個波長的輻射分布，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，就得到了我們?？吹降纳拾邤痰奶煳恼掌?。此外，韋布還配備了星冕儀。它可以遮擋明亮的天體，從而讓天體周圍暗弱的背景顯現(xiàn)出來。

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。太陽光這樣的多色光經(jīng)過大氣層中的水汽散射后，會產(chǎn)生絢麗的彩虹。光的能量按照波長（或頻率）的這種分布就叫作光譜。韋布的4臺儀器都可以進行光譜拍攝。原子、分子吸收或發(fā)射特定波長的光，會在光譜上有所反映。通過光譜，我們可以知道天體的類型、速度、距離、成分等重要信息，從而畫出宇宙中天體的“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，韋布搭乘著阿麗亞娜5號火箭，在法屬圭亞那的發(fā)射場升空。

這是一場遲到了14年的赴約。早在哈勃空間望遠鏡（HST，以下簡稱哈勃）發(fā)射以前，天文學(xué)家就開始考慮建造更強大的太空望遠鏡，稱作“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，總投資已經(jīng)超過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(xiàn)，它拍攝的圖像都很模糊：原來是鏡片磨制的形狀出了錯誤，沒辦法準(zhǔn)確地聚焦光線！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(fù)正常。哈勃圍繞著近地軌道運行，出了錯還可以補救;但韋布在地球和太陽的第二拉格朗日點附近運行，繞著太陽公轉(zhuǎn)，離地球足足有150萬公里，是月球到地球距離的4倍。萬一韋布出現(xiàn)了故障，在它整個“有生之年”內(nèi)（預(yù)期壽命將超過10年），人類都無法親自維修。因此，團隊必須在地面上反復(fù)檢驗，確保萬無一失。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝到的首張深場宇宙紅外全彩圖像。圖片|NASA官網(wǎng)

為什么要把望遠鏡發(fā)射到這么遠的距離上？進入太空的好處顯而易見：不再有白天黑夜的限制，沒有陰雨天氣影響，避免了大氣層吸收和折射星光……但地球時時刻刻散發(fā)著大致相當(dāng)于室溫的熱量，會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說，是很大的干擾。

一切物體都會發(fā)出紅外線。新冠肺炎疫情以來，我們也許已經(jīng)習(xí)慣于見到自己在紅外照片里的樣子了——公共場所的體溫成像儀正是紅外相機最常見的應(yīng)用。人體會發(fā)出紅外線，太陽、地球、遙遠的恒星和星系也是如此。更奇妙的是，紅外線還能夠穿透遮蔽物。在星系中彌漫著大量微粒，稱為“星際塵?！?，會阻擋紫外線和可見光，紅外線卻暢通無阻。因此，用紅外線觀測塵埃區(qū)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)出的光會發(fā)生所謂的“紅移”。多普勒效應(yīng)告訴我們，物體一旦和觀測者相背而行，觀測者看到的波長就會變長。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，它們的輻射就會整體向光譜的紅端移動。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是在可見光波段發(fā)出的。經(jīng)過紅移之后，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，韋布畢竟處在太陽系中，免不了受太陽照射。如果鏡身溫度太高，自身產(chǎn)生的紅外線也會干擾觀測。為此，韋布配備了被動和主動兩種降溫方式。

在朝向太陽的方向，韋布撐起了一把“遮陽傘”——網(wǎng)球場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5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。

在薄膜朝向太陽的一面，溫度高達110攝氏度;而經(jīng)過5層薄膜的阻隔，背向太陽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傘“防曬指數(shù)”不過50左右，但韋布的遮陽傘“防曬指數(shù)”足足達到了100萬，意味著只有百萬分之一的“漏網(wǎng)之魚”。

不過，科學(xué)儀器模塊中的儀器對溫度極其敏感，僅靠被動冷卻是不夠的。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攝氏度），這時就需要“低溫冷卻器”登場了。除了先進的冷卻機制外，它也許還是世界上最“靜音”的冰箱——因為哪怕一點點振動，都會造成災(zāi)難般的圖像模糊。

韋布要做什么？加深人們對宇宙的理解

作為人類最昂貴、最大、最先進的空間望遠鏡，韋布的主要使命被歸類為4個領(lǐng)域：宇宙曙光與再電離、不同時期的星系、恒星與原行星系統(tǒng)誕生、行星系統(tǒng)與生命起源。

首先，紅外波段適合觀測那些遙遠的天體，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，光線穿過遙遠的距離需要時間。太陽光需要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;近鄰星系發(fā)出的光線需要千萬年才能抵達太陽系，我們看到的也是它們千萬年前的樣子。從這個意義上來說，宇宙就像一座時間展覽館：我們看得越遠，看到的展品就越古老。

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

韋布畢竟處在太陽系中，免不了受太陽照射。如果鏡身溫度太高，自身產(chǎn)生的紅外線也會干擾觀測。為此，韋布配備了被動和主動兩種降溫方式。在朝向太陽的方向，韋布撐起了一把“遮陽傘”——網(wǎng)球場一樣大的聚酰亞胺薄膜。

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。包括太陽在內(nèi)的恒星，正是由這樣的星云坍縮形成，但其具體過程我們卻還未弄懂。不僅如此，韋布甚至能直接看到行星形成過程中存在的原行星盤，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(dāng)它注視那些較近的星系時，必將揭示出細節(jié)異常豐富的形態(tài)和光譜信息。我們已經(jīng)知道，星系分為若干類型，它們的組成成分不同，彼此之間也存在著演化關(guān)系。通過巡天獲得大量星系數(shù)據(jù)，韋布有望回答一系列關(guān)鍵問題，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。當(dāng)系外行星從母星前經(jīng)過時，大氣層中特定的元素將會吸收母星發(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，它們暗示著地外生命存在的可能性。韋布還將調(diào)查太陽系內(nèi)的天體：彗星、小行星、冰衛(wèi)星……熟悉了我們的“鄰居”，我們對自己的起源也會有更深的理解。

與韋布同期，中國的空間天文事業(yè)也在蓬勃發(fā)展?！拔蚩铡碧柊滴镔|(zhì)粒子探測衛(wèi)星、“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星等取得了優(yōu)異成果，中國空間站工程巡天望遠鏡、愛因斯坦探針衛(wèi)星等一批先進設(shè)備也正在籌劃中。然而，我們至今還沒有自己的紅外天文衛(wèi)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(shè)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是站在大門口的一瞥。在接下來的太空之旅中，韋布必將向人類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。

◎ 來源|光明日報