打開天?數據的“閘?”?伯太空望遠鏡每天收集超50GB數據

娜塔莉·巴塔利亞一直希望通過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）獲得數據。終于，在望遠鏡到達最終軌道幾個月后，她在美國加州大學圣克魯茲分校的團隊獲準觀察少數系外行星——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)現的。但在2022年7月中旬，當巴塔利亞和她的團隊首次使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對遙遠世界進行觀測時，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)現過：二氧化碳。

在地球上，二氧化碳是植物和動物生命的關鍵指標。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)現很可能預示著未來會有更多令人興奮的發(fā)現，要知道，詹姆斯·韋伯太空望遠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據，“我們一看，二氧化碳的特征就被精美地描繪出來了。”

這并非偶然。詹姆斯·韋伯太空望遠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鏡，可以看到比哈勃太空望遠鏡所能看到的暗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，從誕生之初的遙遠星系圖像到星云的驚人景觀。丹麥哥本哈根大學的天文學家加布里埃爾·布拉默說：“它的強大符合、甚至超出我們的預期?！?/p>

但詹姆斯·韋伯太空望遠鏡不斷發(fā)現新東西的速度不僅僅在于其內在能力。天文學家為它的觀測準備了多年，開發(fā)了可以快速將其數據轉化為可用信息的算法。大部分數據都是開放獲取的，這使得天文學界在收到數據時就能開始整理。它的操作員還吸取了哈勃望遠鏡的經驗教訓，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據令人驚訝。“這超出了我們的預期，”美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡跨學科科學家海蒂·哈梅爾表示，“一旦我們進入運營模式，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，源源不斷地傳回數據?！?/p>

幾個月后的今天，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡仍持續(xù)向地球上發(fā)送大量數據，它有望改變我們對遙遠宇宙、系外行星、行星形成、銀河結構等天文學現象的理解。并非所有人都喜歡這種快速的節(jié)奏，因為它反應出速度比科學進展更重要，但毫無疑問這臺望遠鏡正在以驚人的速度吸引全球的目光。天文數據的“閘門”已經打開，而且不會很快關閉。

打開數據的“閘?”

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡圍繞距離地球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。

這臺望遠鏡最初構思于20世紀80年代，曾計劃于2007年左右發(fā)射，耗資10億美元。但它的復雜度導致了長時間的延誤，不斷吞噬著資金，甚至一度被稱為“吞噬天文學的望遠鏡”。當詹姆斯·韋伯太空望遠鏡最終在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。望遠鏡需要一個月的時間才能到達月球軌道之外的目標位置，需要數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、預算超支和大部分焦慮都已得到解決。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在努力工作，其觀測活動安排由位于美國巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所（STScI）精心編排。每周都會有一個團隊使用望遠鏡執(zhí)行觀測計劃，目前從2022年7月至2023年6月，已有數百個獲得批準的科學項目正在排隊。

“我們的目標是讓望遠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鏡閑置在那兒?！盨TScI的戴夫·阿德勒說，他是該望遠鏡的長期規(guī)劃負責人，“這可不是便宜的東西?！?/p>

在20世紀90年代，如果觀測計劃被更改或取消，哈勃望遠鏡偶爾會飄在太空中無所事事，而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的時間表被特意超額排期，以防止出現此類問題。望遠鏡的機載推進器和反作用輪不斷旋轉以改變方向，在宇宙中的各個目標之間精確移動望遠鏡?！拔覀兊哪繕耸冀K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果是，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡每天可以收集超過50GB的數據，而哈勃望遠鏡之前只能收集1GB～2GB的數據。這些包含圖像和光譜特征的數據會被放入STScI運行的算法中。它又被稱為“管道”，負責將望遠鏡的原始圖像和數字轉化為有用的信息。

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

“管道”本質上是一段代碼，由Python等語言編寫而成。它們長期以來一直被用于天文學，但在2004年天文學家使用哈勃望遠鏡花費100萬秒觀察一片空曠的宇宙后，它們取得了長足的進步。當時的目標是在遙遠的宇宙中尋找遙遠的星系，但要進行800次曝光，因此哈勃團隊深知手工完成這項任務實在太過艱巨。

于是，他們開發(fā)了一條“管道”將曝光轉化為可用圖像，這是一項艱巨的技術挑戰(zhàn)，因為每張圖像都需要各自校準和對齊。STScI的研究天文學家安東·科克莫爾說：“你不可能指望當時的科學社區(qū)自行組合并完成800次曝光。我們的目標是讓科學研究能夠更快地完成?！边@些努力產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·韋伯太空望遠鏡，由STScI開發(fā)的“主管道”從其所有儀器中獲取圖像和數據，并使它們?yōu)榭茖W做好準備。許多天文學家無論是業(yè)余的還是專業(yè)的，使用他們在發(fā)射前數月和數年開發(fā)的“子管道”來進一步研究數據。

這就是為什么當望遠鏡的數據開始向地球傳輸時，天文學家?guī)缀蹩梢粤⒓戳私馑麄兯吹降臇|西，通常需要數月的分析時間變成了僅需數小時的處理時間。

“我們只需要坐在那里，”布拉默說，“突然之間，‘管道’打開了，數據開始傳輸，我們也準備好了?！?/p>

?處不在的星系

哈勃太空望遠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鏡的任務，首先是修復其畸形的鏡面——這是1990年發(fā)射后不久發(fā)現的一個問題。而詹姆斯·韋伯望遠鏡離地球的距離比月球更遠，輕易不會有人造訪。

許多人期待著詹姆斯·韋伯望遠鏡的正式交付，包括美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心的光學望遠鏡元件經理李·范博格?！拔覀兓?0年時間模擬望遠鏡的對準?！彼f。這樣是為了確保它能夠準確地指向天空中的目標。

2022年3月，詹姆斯·韋伯望遠鏡終于到達了月球之外的目標位置，范博格和他的同事們終于準備好開始拍攝測試圖像。一天早上，當他走進STScI時，屏幕上出現了其中一張測試圖像，是一顆恒星。它包含了一個大驚喜?！澳抢锇藬蛋賯€星系?！狈恫└裾f，“我們驚呆了。”

這張照片是如此詳細，它揭示了延伸到遙遠宇宙的星系，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出來的效果，”他說。

在進一步測試和校準儀器以使望遠鏡啟動和運行之后，它執(zhí)行了一項早期任務，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鏡上的工具，它用紅外線進行最深入的觀察，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果，而是使用了一個名為Eureka?。ㄕ业嚼玻┑摹肮艿馈?，該“管道”由加州灣區(qū)環(huán)境研究所的天文學家泰勒·貝爾開發(fā)?！澳繕耸菑脑紨祿刑崛￡P于大氣光譜的信息?！必悹栒f。

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

其他人則將“管道”用于更遙遠的目標。2022年7月，在研究來自詹姆斯·韋伯望遠鏡的早期圖像時，由麻省理工學院洛汗·奈度領導的團隊發(fā)現了GLASS-z13，這是一個遙遠的星系，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為的要快。

奈度的發(fā)現是由EAZY實現的，EAZY也是一種“管道”，用于在某種程度上粗略地分析望遠鏡圖像中的星系光。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

一般來說在科學領域，研究人員會將一篇科學論文提交給期刊，然后由該領域的同行評審，最終得到一個批準發(fā)表或拒絕發(fā)表的結果。整個過程可能需要數月甚至數年，有時還會延遲發(fā)表——但始終秉承科學的準確性和嚴謹性。

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之類的預印本網站上發(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，并由科學家在推特和其他論壇上公開討論。

當科學家們熱衷于快速公開新發(fā)現時，在arXiv上發(fā)表文章很受歡迎，有時甚至有意在有競爭關系的論文發(fā)表之前。就詹姆斯·韋伯望遠鏡而言，在第一年里有大約20%的項目是開放獲取的，這意味著數據在傳輸到地球后會立即公開發(fā)布。

這也意味著提出該計劃的研究團隊將立即與監(jiān)控數據流的其他人競爭。當望遠鏡的數據流在2022年7月打開時，許多研究人員轉向arXiv來發(fā)布早期結果——無論好壞。

意大利羅馬天文臺的天文學家埃米利亞諾·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鏡數據分析工作，例如在宇宙大爆炸后尋找遙遠宇宙中的星系。在確認其光的年齡之前，有關GLASS-z13和其他十幾個候選星系的發(fā)現就已經被發(fā)表了?！斑@不是我個人真正喜歡的東西，”梅林說，“當你處理這種新事物和未知事物時，應該檢查10次或100次。事情不是這樣做的?！?/p>

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

當然，我們也有可能發(fā)現比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構的理解，甚至可能暗示存在一個更激進的早期宇宙模型。

雖然望遠鏡的許多項目會立即公開發(fā)布數據，有時會導致人們瘋狂地提前發(fā)布結果，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個月內獨家訪問他們的數據。這使得科學家，尤其是缺乏大型機構資源的小團體，能夠在向公眾發(fā)布數據之前更仔細地審查他們自己的數據。

歐洲航天局科學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，你就相當于把它交到大團隊的手里?！?/p>

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

“現在數據的‘閘門’已經打開，我們將在未來10年及以后不斷看到論文?！惫窢栒f。也許遠不止于此——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可能有超過20年的壽命，允許其運行持續(xù)到21世紀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>