打開天?數(shù)據(jù)的“閘?”?伯太空望遠(yuǎn)鏡每天收集超50GB數(shù)據(jù)

娜塔莉·巴塔利亞一直希望通過詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）獲得數(shù)據(jù)。終于，在望遠(yuǎn)鏡到達(dá)最終軌道幾個月后，她在美國加州大學(xué)圣克魯茲分校的團隊獲準(zhǔn)觀察少數(shù)系外行星——這些圍繞太陽以外的恒星運行的行星。

觀測的目標(biāo)之一是WASP-39b，這個灼熱的星球圍繞著一顆距離地球約700光年的恒星運行。這顆行星是幾年前發(fā)現(xiàn)的。但在2022年7月中旬，當(dāng)巴塔利亞和她的團隊首次使用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡對遙遠(yuǎn)世界進(jìn)行觀測時，他們看到了一種氣體的明顯特征，這種氣體在地球上很常見，但以前從未在系外行星的大氣層中發(fā)現(xiàn)過：二氧化碳。

在地球上，二氧化碳是植物和動物生命的關(guān)鍵指標(biāo)。WASP-39b繞其恒星運行僅有四個地球日，溫度太高，不適合人類居住。但這一發(fā)現(xiàn)很可能預(yù)示著未來會有更多令人興奮的發(fā)現(xiàn)，要知道，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡剛正式投入使用幾天。

“這是一個非常激動人心的時刻，”巴塔利亞說，她的團隊第一次聚集在一起查看數(shù)據(jù)，“我們一看，二氧化碳的特征就被精美地描繪出來了?！?/p>

這并非偶然。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是美國航空航天局牽頭的，是美國、加拿大和歐洲之間的合作項目，它是歷史上最強大的太空望遠(yuǎn)鏡，可以看到比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所能看到的暗100倍的物體。

它于2022年7月開始正式投入運行，此后我們看到了來自宇宙各處的、令人難以置信的壯麗景色，從誕生之初的遙遠(yuǎn)星系圖像到星云的驚人景觀。丹麥哥本哈根大學(xué)的天文學(xué)家加布里埃爾·布拉默說：“它的強大符合、甚至超出我們的預(yù)期?！?/p>

但詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡不斷發(fā)現(xiàn)新東西的速度不僅僅在于其內(nèi)在能力。天文學(xué)家為它的觀測準(zhǔn)備了多年，開發(fā)了可以快速將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可用信息的算法。大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是開放獲取的，這使得天文學(xué)界在收到數(shù)據(jù)時就能開始整理。它的操作員還吸取了哈勃望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)驗教訓(xùn)，盡可能多地安排了觀測計劃。

對于一些人來說，海量的不同尋常的數(shù)據(jù)令人驚訝。“這超出了我們的預(yù)期，”美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡跨學(xué)科科學(xué)家海蒂·哈梅爾表示，“一旦我們進(jìn)入運營模式，它就是一刻不停的。每個小時我們都在觀察一個星系、一顆系外行星或恒星的形成，源源不斷地傳回數(shù)據(jù)。”

幾個月后的今天，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡仍持續(xù)向地球上發(fā)送大量數(shù)據(jù)，它有望改變我們對遙遠(yuǎn)宇宙、系外行星、行星形成、銀河結(jié)構(gòu)等天文學(xué)現(xiàn)象的理解。并非所有人都喜歡這種快速的節(jié)奏，因為它反應(yīng)出速度比科學(xué)進(jìn)展更重要，但毫無疑問這臺望遠(yuǎn)鏡正在以驚人的速度吸引全球的目光。天文數(shù)據(jù)的“閘門”已經(jīng)打開，而且不會很快關(guān)閉。

打開數(shù)據(jù)的“閘?”

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡圍繞距離地球150萬公里的穩(wěn)定點繞太陽運行。它巨大的鍍金主鏡有長頸鹿那么高，由網(wǎng)球場大小的遮陽罩保護免受太陽的強光照射，使人們能夠在紅外光下看到前所未有的宇宙景象。

這臺望遠(yuǎn)鏡最初構(gòu)思于20世紀(jì)80年代，曾計劃于2007年左右發(fā)射，耗資10億美元。但它的復(fù)雜度導(dǎo)致了長時間的延誤，不斷吞噬著資金，甚至一度被稱為“吞噬天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡”。當(dāng)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡最終在2021年12月發(fā)射時，其成本已激增至近100億美元。

即使在發(fā)射后，人們也不能完全安心。望遠(yuǎn)鏡需要一個月的時間才能到達(dá)月球軌道之外的目標(biāo)位置，需要數(shù)百個活動部件來部署其各種組件，包括巨大的遮陽罩，這是讓紅外線敏感儀器保持冷卻所必需的。

但到目前為止，延誤、預(yù)算超支和大部分焦慮都已得到解決。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡正在努力工作，其觀測活動安排由位于美國巴爾的摩的太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）精心編排。每周都會有一個團隊使用望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行觀測計劃，目前從2022年7月至2023年6月，已有數(shù)百個獲得批準(zhǔn)的科學(xué)項目正在排隊。

“我們的目標(biāo)是讓望遠(yuǎn)鏡盡可能地物盡其用，（而）我們做的最糟糕的事情就是讓望遠(yuǎn)鏡閑置在那兒。”STScI的戴夫·阿德勒說，他是該望遠(yuǎn)鏡的長期規(guī)劃負(fù)責(zé)人，“這可不是便宜的東西。”

在20世紀(jì)90年代，如果觀測計劃被更改或取消，哈勃望遠(yuǎn)鏡偶爾會飄在太空中無所事事，而詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的時間表被特意超額排期，以防止出現(xiàn)此類問題。望遠(yuǎn)鏡的機載推進(jìn)器和反作用輪不斷旋轉(zhuǎn)以改變方向，在宇宙中的各個目標(biāo)之間精確移動望遠(yuǎn)鏡?！拔覀兊哪繕?biāo)始終是盡量減少它的閑置時間?！卑⒌吕照f。

這種緊湊的時間表帶來的結(jié)果是，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡每天可以收集超過50GB的數(shù)據(jù)，而哈勃望遠(yuǎn)鏡之前只能收集1GB～2GB的數(shù)據(jù)。這些包含圖像和光譜特征的數(shù)據(jù)會被放入STScI運行的算法中。它又被稱為“管道”，負(fù)責(zé)將望遠(yuǎn)鏡的原始圖像和數(shù)字轉(zhuǎn)化為有用的信息。

其中一些會立即在公共服務(wù)器上發(fā)布，科學(xué)家、還有JWSTPhotoBot等推特機器人都會從中捕獲信息。還有的數(shù)據(jù)會通過特定程序交給相應(yīng)的科學(xué)家，使他們能夠在向大眾公布數(shù)據(jù)之前花時間分析他們自己的數(shù)據(jù)。

“管道”本質(zhì)上是一段代碼，由Python等語言編寫而成。它們長期以來一直被用于天文學(xué)，但在2004年天文學(xué)家使用哈勃望遠(yuǎn)鏡花費100萬秒觀察一片空曠的宇宙后，它們?nèi)〉昧碎L足的進(jìn)步。當(dāng)時的目標(biāo)是在遙遠(yuǎn)的宇宙中尋找遙遠(yuǎn)的星系，但要進(jìn)行800次曝光，因此哈勃團隊深知手工完成這項任務(wù)實在太過艱巨。

于是，他們開發(fā)了一條“管道”將曝光轉(zhuǎn)化為可用圖像，這是一項艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)，因為每張圖像都需要各自校準(zhǔn)和對齊。STScI的研究天文學(xué)家安東·科克莫爾說：“你不可能指望當(dāng)時的科學(xué)社區(qū)自行組合并完成800次曝光。我們的目標(biāo)是讓科學(xué)研究能夠更快地完成?！边@些努力產(chǎn)生了令人難以置信的圖像，揭示了1萬個橫跨宇宙的星系，這些星系后來被稱為哈勃超深空。

借助詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，由STScI開發(fā)的“主管道”從其所有儀器中獲取圖像和數(shù)據(jù)，并使它們?yōu)榭茖W(xué)做好準(zhǔn)備。許多天文學(xué)家無論是業(yè)余的還是專業(yè)的，使用他們在發(fā)射前數(shù)月和數(shù)年開發(fā)的“子管道”來進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)。

這就是為什么當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)開始向地球傳輸時，天文學(xué)家?guī)缀蹩梢粤⒓戳私馑麄兯吹降臇|西，通常需要數(shù)月的分析時間變成了僅需數(shù)小時的處理時間。

“我們只需要坐在那里，”布拉默說，“突然之間，‘管道打開了，數(shù)據(jù)開始傳輸，我們也準(zhǔn)備好了?！?h3>?處不在的星系

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡距離地球表面僅幾百公里，甚至宇航員都可以訪問。多年來，美國國家航空航天局確實派了宇航員過去，執(zhí)行了一系列維修和升級望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)，首先是修復(fù)其畸形的鏡面——這是1990年發(fā)射后不久發(fā)現(xiàn)的一個問題。而詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡離地球的距離比月球更遠(yuǎn)，輕易不會有人造訪。

許多人期待著詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的正式交付，包括美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡元件經(jīng)理李·范博格。“我們花了20年時間模擬望遠(yuǎn)鏡的對準(zhǔn)?！彼f。這樣是為了確保它能夠準(zhǔn)確地指向天空中的目標(biāo)。

2022年3月，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡終于到達(dá)了月球之外的目標(biāo)位置，范博格和他的同事們終于準(zhǔn)備好開始拍攝測試圖像。一天早上，當(dāng)他走進(jìn)STScI時，屏幕上出現(xiàn)了其中一張測試圖像，是一顆恒星。它包含了一個大驚喜。“那里包含了數(shù)百個星系。”范博格說，“我們驚呆了?！?/p>

這張照片是如此詳細(xì)，它揭示了延伸到遙遠(yuǎn)宇宙的星系，盡管它并不是為了這樣的目的而拍攝的?！懊總€人都不敢相信它展現(xiàn)出來的效果，”他說。

在進(jìn)一步測試和校準(zhǔn)儀器以使望遠(yuǎn)鏡啟動和運行之后，它執(zhí)行了一項早期任務(wù)，使用低溫冷卻的中紅外儀器（MIRI）觀察WASP-39b。這是一個搭載在望遠(yuǎn)鏡上的工具，它用紅外線進(jìn)行最深入的觀察，可以很容易地檢測到行星大氣的許多特征。MIRI的光譜儀使科學(xué)家能夠從WASP-39b的大氣層中分辨出光線。

觀察團隊沒有人工分析觀測結(jié)果，而是使用了一個名為Eureka！（找到啦）的“管道”，該“管道”由加州灣區(qū)環(huán)境研究所的天文學(xué)家泰勒·貝爾開發(fā)?！澳繕?biāo)是從原始數(shù)據(jù)中提取關(guān)于大氣光譜的信息。”貝爾說。

像這樣分析來自系外行星的信息通常需要數(shù)月的工作，但在“管道”的幫助下，拿到觀察結(jié)果的幾個小時內(nèi)，二氧化碳的特征就躍然紙上。此后，有關(guān)這顆行星的許多其他細(xì)節(jié)也被公布出來，包括對其成分的詳細(xì)分析和斑塊云的存在。

其他人則將“管道”用于更遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。2022年7月，在研究來自詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的早期圖像時，由麻省理工學(xué)院洛汗·奈度領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)了GLASS-z13，這是一個遙遠(yuǎn)的星系，它的光可以追溯到宇宙大爆炸后僅3億年——比之前已知的任何星系都要早。這一發(fā)現(xiàn)引起了全球的轟動，因為它表明星系的形成時間可能比之前預(yù)期的要早，可能早了幾億年——這意味著我們的宇宙形成的速度比之前認(rèn)為的要快。

奈度的發(fā)現(xiàn)是由EAZY實現(xiàn)的，EAZY也是一種“管道”，用于在某種程度上粗略地分析望遠(yuǎn)鏡圖像中的星系光。它使用這些成像觀察來估算與物體的距離，該工具開源在GitHub上供任何人使用。

?峰時間

一般來說在科學(xué)領(lǐng)域，研究人員會將一篇科學(xué)論文提交給期刊，然后由該領(lǐng)域的同行評審，最終得到一個批準(zhǔn)發(fā)表或拒絕發(fā)表的結(jié)果。整個過程可能需要數(shù)月甚至數(shù)年，有時還會延遲發(fā)表——但始終秉承科學(xué)的準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

但是，有一些方法可以繞過此過程。一種流行的方法是，在同行評審之前，在arXiv之類的預(yù)印本網(wǎng)站上發(fā)布論文的早期版本。這意味著研究可以在正式發(fā)表之前被閱讀或公開。在某些情況下，一些研究可能從未提交給期刊，而是僅保留在arXiv上，并由科學(xué)家在推特和其他論壇上公開討論。

當(dāng)科學(xué)家們熱衷于快速公開新發(fā)現(xiàn)時，在arXiv上發(fā)表文章很受歡迎，有時甚至有意在有競爭關(guān)系的論文發(fā)表之前。就詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡而言，在第一年里有大約20%的項目是開放獲取的，這意味著數(shù)據(jù)在傳輸?shù)降厍蚝髸⒓垂_發(fā)布。

這也意味著提出該計劃的研究團隊將立即與監(jiān)控數(shù)據(jù)流的其他人競爭。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)流在2022年7月打開時，許多研究人員轉(zhuǎn)向arXiv來發(fā)布早期結(jié)果——無論好壞。

意大利羅馬天文臺的天文學(xué)家埃米利亞諾·梅林說：“人們急于盡快發(fā)表任何東西?！?/p>

他參與了早期的望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)分析工作，例如在宇宙大爆炸后尋找遙遠(yuǎn)宇宙中的星系。在確認(rèn)其光的年齡之前，有關(guān)GLASS-z13和其他十幾個候選星系的發(fā)現(xiàn)就已經(jīng)被發(fā)表了?！斑@不是我個人真正喜歡的東西，”梅林說，“當(dāng)你處理這種新事物和未知事物時，應(yīng)該檢查10次或100次。事情不是這樣做的?！?/p>

一個擔(dān)憂是望遠(yuǎn)鏡的早期校準(zhǔn)問題可能會導(dǎo)致錯誤。但到目前為止，許多早期結(jié)果經(jīng)得起推敲。后續(xù)觀測證實GLASS-z13是一個破紀(jì)錄的早期星系，盡管它的年齡略有降低，導(dǎo)致該星系更名為GLASS-z12。

當(dāng)然，我們也有可能發(fā)現(xiàn)比GLASS-z12更早形成的星系，這表明我們很可能需要重新思考我們對宇宙結(jié)構(gòu)的理解，甚至可能暗示存在一個更激進(jìn)的早期宇宙模型。

雖然望遠(yuǎn)鏡的許多項目會立即公開發(fā)布數(shù)據(jù)，有時會導(dǎo)致人們瘋狂地提前發(fā)布結(jié)果，但其中約80%的項目都有專有期限，允許提出這些項目的研究人員在12個月內(nèi)獨家訪問他們的數(shù)據(jù)。這使得科學(xué)家，尤其是缺乏大型機構(gòu)資源的小團體，能夠在向公眾發(fā)布數(shù)據(jù)之前更仔細(xì)地審查他們自己的數(shù)據(jù)。

歐洲航天局科學(xué)與探索高級顧問馬克·麥考林說：“獨家訪問時間可以平衡資源。如果你拿走這些專有時間，你就相當(dāng)于把它交到大團隊的手里?！?/p>

然而，許多科學(xué)家并不會用到12個月，這意味著他們只會增加望遠(yuǎn)鏡源源不斷的新發(fā)現(xiàn)。除了正在進(jìn)行的開放獲取觀測之外，還會有越來越多的專有結(jié)果向公眾發(fā)布。

“現(xiàn)在數(shù)據(jù)的‘閘門已經(jīng)打開，我們將在未來10年及以后不斷看到論文?！惫窢栒f。也許遠(yuǎn)不止于此——詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡可能有超過20年的壽命，允許其運行持續(xù)到21世紀(jì)40年代。

“我們正在打開一扇了解宇宙的全新窗口，”哈梅爾說，“對于人類這個物種來說，我們正處在一個激動人心的時間點上?！?/p>