韦布空间望远镜如何观测宇宙之道

刘丰源

日前，一批特殊的照片吸引了人们的目光：美轮美奂的船底座星云、“南天指环”星云、“斯蒂芬五重奏”星系、SMACS 0723星系团深场……这些璀璨夺目照片背后的功臣，是人类迄今为止最为先进的空间天文设备——詹姆斯·韦布空间望远镜。

韦布是什么？一台巨大的“宇宙相机”

第一次看到詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST，以下简称韦布）的人，也许会感到十分意外——抛开巨大的体积不谈，它金黄色的巨大面板棱角分明，还连着一摞奇形怪状的紫粉色薄膜，似乎和平时我们接触的望远镜相去甚远。

其实，韦布就像一台“宇宙相机”：主镜、副镜等相当于没有镜筒的“镜头”，而其他部分则相当于“机身”。金色的六边形面板是它的主反射镜，它的直径为6.5米，由18个六边形子镜拼接而成。之所以要设计成拼接的形式，是因为它实在太大，必须折叠后才能放入火箭的舱室内。

如此巨大的镜面，正是韦布的科学雄心所在。光学定律告诉我们，望远镜的口径越大，捕獲光子的效率就越高。天体发射的光子好像倾盆大雨中的雨滴，而更大的望远镜口径就好比用更大的水桶去接雨水，在短时间内就可以产生较高亮度的图像，从而看见那些遥远而黯淡的天体。除此之外，更大口径的镜面还拥有更高的分辨率，得到的图像更清晰。这样一来，我们拍到的天体就有更加丰富的细节。

完成一场“太空折纸”，并不是一件容易的事。韦布的每个子镜都由金属铍制作而成，轻盈、坚固;又镀了一层极薄的黄金，既有效地反射红外光，又不易变得暗淡。此外，每一面子镜都可以自由地改变曲率和指向。经过校准以后，它们会共同组成一个巨大的抛物面，将星光聚拢到副镜上。为了合成完美的抛物面，在太空中展开后，微型机械马达必须将各个子镜无缝对齐，误差不能超过头发丝直径的万分之一，其难度可想而知。

经过层层反射后，星光进入主镜中央开口后方的“科学仪器模块”中，在那里得到进一步的转换和处理。韦布共携带4台终端科学仪器，它们分别是中红外仪器（MIRI）、近红外相机（NIRCam）、近红外成像仪和无缝光谱仪（NIRISS）、近红外光谱仪（NIRSpec）。其中，中红外仪器可以在5～28微米的波长范围内工作，而近红外的3台仪器则在约0.6～5微米的波长范围内工作。相比较而言，人眼看到的光线波长范围大约仅在0.4～0.8微米范围，要局限得多。

像普通相机一样，中红外仪器、近红外相机都可以拍摄图像，但它们的灵敏度可比商业相机甚至军用卫星高多了。它们能探测到低至几纳央斯基的流量，假设把一盏儿童睡觉时开的床头夜灯放到月球上，从地面上看去，它的亮度都要比韦布的探测极限高20倍！

在到达相机底片之前，星光还会经过滤光轮，轮上安着10余种不同的滤光片。这些滤光片各自允许特定波长范围的光线通过，可以根据电脑指令转动到底片前方。这样一来，天文学家拍摄的每一张图片，就只反映天体在特定波长范围内的辐射情况。在不同滤镜下拍摄照片，就能得知天体在各个波长的辐射分布，从而推断出天体的性质。将不同滤镜的照片在计算机里分别赋予单一颜色，再叠加起来，就得到了我们常看到的色彩斑斓的天文照片。此外，韦布还配备了星冕仪。它可以遮挡明亮的天体，从而让天体周围暗弱的背景显现出来。

但除了拍摄图像，天文学家更翘首以盼的，是用韦布得到天体的光谱信息。太阳光这样的多色光经过大气层中的水汽散射后，会产生绚丽的彩虹。光的能量按照波长（或频率）的这种分布就叫作光谱。韦布的4台仪器都可以进行光谱拍摄。原子、分子吸收或发射特定波长的光，会在光谱上有所反映。通过光谱，我们可以知道天体的类型、速度、距离、成分等重要信息，从而画出宇宙中天体的“三维地图”。

为何耗资88亿美元？确保韦布拍出最好的照片

2021年12月，韦布搭乘着阿丽亚娜5号火箭，在法属圭亚那的发射场升空。

这是一场迟到了14年的赴约。早在哈勃空间望远镜（HST，以下简称哈勃）发射以前，天文学家就开始考虑建造更强大的太空望远镜，称作“下一代空间望远镜（NGST）”。最初的计划仅仅是花费5亿美元，建造一台8米口径的望远镜，并于2007年发射。然而，项目一再扩增和延期。到韦布望远镜最终发射时，总投资已经超过100亿美元。

韦布延期主要是出于安全方面的考虑。空间望远镜出故障的先例不胜枚举。例如1990年哈勃发射后，天文学家就震惊地发现，它拍摄的图像都很模糊：原来是镜片磨制的形状出了错误，没办法准确地聚焦光线！直到1993年，航天员驾驶航天飞机到太空中，为哈勃加装了一台“近视眼镜”，成像才恢复正常。哈勃围绕着近地轨道运行，出了错还可以补救;但韦布在地球和太阳的第二拉格朗日点附近运行，绕着太阳公转，离地球足足有150万公里，是月球到地球距离的4倍。万一韦布出现了故障，在它整个“有生之年”内（预期寿命将超过10年），人类都无法亲自维修。因此，团队必须在地面上反复检验，确保万无一失。

詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄到的首张深场宇宙红外全彩图像。图片|NASA官网

为什么要把望远镜发射到这么远的距离上？进入太空的好处显而易见：不再有白天黑夜的限制，没有阴雨天气影响，避免了大气层吸收和折射星光……但地球时时刻刻散发着大致相当于室温的热量，会让近地轨道上的航天器温度上升。对于韦布这样的红外探测器来说，是很大的干扰。

一切物体都会发出红外线。新冠肺炎疫情以来，我们也许已经习惯于见到自己在红外照片里的样子了——公共场所的体温成像仪正是红外相机最常见的应用。人体会发出红外线，太阳、地球、遥远的恒星和星系也是如此。更奇妙的是，红外线还能够穿透遮蔽物。在星系中弥漫着大量微粒，称为“星际尘埃”，會阻挡紫外线和可见光，红外线却畅通无阻。因此，用红外线观测尘埃区有得天独厚的优势，能看到尘埃背后发光的天体。

除此之外，那些极其遥远的星系和星系际介质，发出的光会发生所谓的“红移”。多普勒效应告诉我们，物体一旦和观测者相背而行，观测者看到的波长就会变长。而按照宇宙膨胀理论，遥远的天体都是在远离我们的。这样一来，它们的辐射就会整体向光谱的红端移动。天体越远，远离我们的速度就越快，红移也就越大。而在遥远的星系中，有很大一部分的能量本来是在可见光波段发出的。经过红移之后，这部分能量正好位于韦布探测的红外波段，因此，韦布也极为适合探测那些最为遥远的天体。

但是，韦布毕竟处在太阳系中，免不了受太阳照射。如果镜身温度太高，自身产生的红外线也会干扰观测。为此，韦布配备了被动和主动两种降温方式。

在朝向太阳的方向，韦布撑起了一把“遮阳伞”——网球场一样大的聚酰亚胺薄膜。这种材料不足一毫米厚，不仅轻便，而且还能承受很大的温差。薄膜共有5层，每层上面都镀了铝，能很好地反射并隔绝热量。在面朝太阳的前两层上，还特别覆盖了粉红色的掺杂硅涂层，散热效率大大提高。

在薄膜朝向太阳的一面，温度高达110摄氏度;而经过5层薄膜的阻隔，背向太阳的一面足足降到了零下230摄氏度以下。我们常用的护肤霜或遮阳伞“防晒指数”不过50左右，但韦布的遮阳伞“防晒指数”足足达到了100万，意味着只有百万分之一的“漏网之鱼”。

不过，科学仪器模块中的仪器对温度极其敏感，仅靠被动冷却是不够的。例如中红外仪器需要在零下266摄氏度才能正常工作（仅比绝对零度高了7摄氏度），这时就需要“低温冷却器”登场了。除了先进的冷却机制外，它也许还是世界上最“静音”的冰箱——因为哪怕一点点振动，都会造成灾难般的图像模糊。

韦布要做什么？加深人们对宇宙的理解

作为人类最昂贵、最大、最先进的空间望远镜，韦布的主要使命被归类为4个领域：宇宙曙光与再电离、不同时期的星系、恒星与原行星系统诞生、行星系统与生命起源。

首先，红外波段适合观测那些遥远的天体，韦布的一项重要任务就是了解宇宙的早期历史。光速是有限的，光线穿过遥远的距离需要时间。太阳光需要8分钟才能抵达地球，所以我们在地球上看到的是8分钟前的太阳;近邻星系发出的光线需要千万年才能抵达太阳系，我们看到的也是它们千万年前的样子。从这个意义上来说，宇宙就像一座时间展览馆：我们看得越远，看到的展品就越古老。

我们平时观测的近邻星系，红移基本都在0.1以下;红移2到3，就被天文学家称作是高红移星系，已经相当难以探测了。而韦布预计将看到红移接近20的初代星系，它们极其遥远，韦布观测到的光，是宇宙才刚刚诞生不到2亿年的时候发出的。在韦布发布的第一批数据里，天文学家就已经探测到红移10左右的星系了。更深场的积分甚至有望追溯到宇宙再电离时期，那是宇宙中的第一缕曙光。

韦布毕竟处在太阳系中，免不了受太阳照射。如果镜身温度太高，自身产生的红外线也会干扰观测。为此，韦布配备了被动和主动两种降温方式。在朝向太阳的方向，韦布撑起了一把“遮阳伞”——网球场一样大的聚酰亚胺薄膜。

其次，韦布能够直接看到星系中那些诞生恒星的巨大尘埃云，而这些云对哈勃等光学望远镜而言是不透明的。包括太阳在内的恒星，正是由这样的星云坍缩形成，但其具体过程我们却还未弄懂。不仅如此，韦布甚至能直接看到行星形成过程中存在的原行星盘，从而让我们更加了解原始行星系的形成。

再次，韦布拥有惊人的分辨率和灵敏度，那么当它注视那些较近的星系时，必将揭示出细节异常丰富的形态和光谱信息。我们已经知道，星系分为若干类型，它们的组成成分不同，彼此之间也存在着演化关系。通过巡天获得大量星系数据，韦布有望回答一系列关键问题，例如黑洞如何影响宿主星系、星系的形态是怎么产生的、化学元素在星系中如何分布……

最后，太空中是否有其他生命也是韦布的关注点。当系外行星从母星前经过时，大气层中特定的元素将会吸收母星发出的光。韦布探测到这种吸收光谱，便可以得知系外行星的大气成分。在发布的首批照片中，天文学家已经证明了一颗系外行星中具有水分子。有朝一日，我们或许会在系外行星大气中探测到更多“生物印记”——例如甲烷、氧气等，它们暗示着地外生命存在的可能性。韦布还将调查太阳系内的天体：彗星、小行星、冰卫星……熟悉了我们的“邻居”，我们对自己的起源也会有更深的理解。

与韦布同期，中国的空间天文事业也在蓬勃发展。“悟空”号暗物质粒子探测卫星、“慧眼”硬X射线调制望远镜卫星等取得了优异成果，中国空间站工程巡天望远镜、爱因斯坦探针卫星等一批先进设备也正在筹划中。然而，我们至今还没有自己的红外天文卫星，在天文仪器研发的人才储备、红外探测器的工艺，以及设计决策等层面，也都还有一定差距。

如果将宇宙比作一座宝库，韦布的首批照片只不过是站在大门口的一瞥。在接下来的太空之旅中，韦布必将向人类展示宇宙的更多珍宝。我们也更希望有朝一日能看到中国自己的红外空间望远镜翱翔天际，向太空投去属于我们的目光。

◎ 来源|光明日报