打开天?数据的“闸?”?伯太空望远镜每天收集超50GB数据

娜塔莉·巴塔利亚一直希望通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）获得数据。终于，在望远镜到达最终轨道几个月后，她在美国加州大学圣克鲁兹分校的团队获准观察少数系外行星——这些围绕太阳以外的恒星运行的行星。

观测的目标之一是WASP-39b，这个灼热的星球围绕着一颗距离地球约700光年的恒星运行。这颗行星是几年前发现的。但在2022年7月中旬，当巴塔利亚和她的团队首次使用詹姆斯·韦伯太空望远镜对遥远世界进行观测时，他们看到了一种气体的明显特征，这种气体在地球上很常见，但以前从未在系外行星的大气层中发现过：二氧化碳。

在地球上，二氧化碳是植物和动物生命的关键指标。WASP-39b绕其恒星运行仅有四个地球日，温度太高，不适合人类居住。但这一发现很可能预示着未来会有更多令人兴奋的发现，要知道，詹姆斯·韦伯太空望远镜刚正式投入使用几天。

“这是一个非常激动人心的时刻，”巴塔利亚说，她的团队第一次聚集在一起查看数据，“我们一看，二氧化碳的特征就被精美地描绘出来了。”

这并非偶然。詹姆斯·韦伯太空望远镜是美国航空航天局牵头的，是美国、加拿大和欧洲之间的合作项目，它是历史上最强大的太空望远镜，可以看到比哈勃太空望远镜所能看到的暗100倍的物体。

它于2022年7月开始正式投入运行，此后我们看到了来自宇宙各处的、令人难以置信的壮丽景色，从诞生之初的遥远星系图像到星云的惊人景观。丹麦哥本哈根大学的天文学家加布里埃尔·布拉默说：“它的强大符合、甚至超出我们的预期。”

但詹姆斯·韦伯太空望远镜不断发现新东西的速度不仅仅在于其内在能力。天文学家为它的观测准备了多年，开发了可以快速将其数据转化为可用信息的算法。大部分数据都是开放获取的，这使得天文学界在收到数据时就能开始整理。它的操作员还吸取了哈勃望远镜的经验教训，尽可能多地安排了观测计划。

对于一些人来说，海量的不同寻常的数据令人惊讶。“这超出了我们的预期，”美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜跨学科科学家海蒂·哈梅尔表示，“一旦我们进入运营模式，它就是一刻不停的。每个小时我们都在观察一个星系、一颗系外行星或恒星的形成，源源不断地传回数据。”

幾个月后的今天，詹姆斯·韦伯太空望远镜仍持续向地球上发送大量数据，它有望改变我们对遥远宇宙、系外行星、行星形成、银河结构等天文学现象的理解。并非所有人都喜欢这种快速的节奏，因为它反应出速度比科学进展更重要，但毫无疑问这台望远镜正在以惊人的速度吸引全球的目光。天文数据的“闸门”已经打开，而且不会很快关闭。

打开数据的“闸?”

詹姆斯·韦伯太空望远镜围绕距离地球150万公里的稳定点绕太阳运行。它巨大的镀金主镜有长颈鹿那么高，由网球场大小的遮阳罩保护免受太阳的强光照射，使人们能够在红外光下看到前所未有的宇宙景象。

这台望远镜最初构思于20世纪80年代，曾计划于2007年左右发射，耗资10亿美元。但它的复杂度导致了长时间的延误，不断吞噬着资金，甚至一度被称为“吞噬天文学的望远镜”。当詹姆斯·韦伯太空望远镜最终在2021年12月发射时，其成本已激增至近100亿美元。

即使在发射后，人们也不能完全安心。望远镜需要一个月的时间才能到达月球轨道之外的目标位置，需要数百个活动部件来部署其各种组件，包括巨大的遮阳罩，这是让红外线敏感仪器保持冷却所必需的。

但到目前为止，延误、预算超支和大部分焦虑都已得到解决。詹姆斯·韦伯太空望远镜正在努力工作，其观测活动安排由位于美国巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）精心编排。每周都会有一个团队使用望远镜执行观测计划，目前从2022年7月至2023年6月，已有数百个获得批准的科学项目正在排队。

“我们的目标是让望远镜尽可能地物尽其用，（而）我们做的最糟糕的事情就是让望远镜闲置在那儿。”STScI的戴夫·阿德勒说，他是该望远镜的长期规划负责人，“这可不是便宜的东西。”

在20世纪90年代，如果观测计划被更改或取消，哈勃望远镜偶尔会飘在太空中无所事事，而詹姆斯·韦伯太空望远镜的时间表被特意超额排期，以防止出现此类问题。望远镜的机载推进器和反作用轮不断旋转以改变方向，在宇宙中的各个目标之间精确移动望远镜。“我们的目标始终是尽量减少它的闲置时间。”阿德勒说。

这种紧凑的时间表带来的结果是，詹姆斯·韦伯太空望远镜每天可以收集超过50GB的数据，而哈勃望远镜之前只能收集1GB～2GB的数据。这些包含图像和光谱特征的数据会被放入STScI运行的算法中。它又被称为“管道”，负责将望远镜的原始图像和数字转化为有用的信息。

其中一些会立即在公共服务器上发布，科学家、还有JWSTPhotoBot等推特机器人都会从中捕获信息。还有的数据会通过特定程序交给相应的科学家，使他们能够在向大众公布数据之前花时间分析他们自己的数据。

“管道”本质上是一段代码，由Python等语言编写而成。它们长期以来一直被用于天文学，但在2004年天文学家使用哈勃望远镜花费100万秒观察一片空旷的宇宙后，它们取得了长足的进步。当时的目标是在遥远的宇宙中寻找遥远的星系，但要进行800次曝光，因此哈勃团队深知手工完成这项任务实在太过艰巨。

于是，他们开发了一条“管道”将曝光转化为可用图像，这是一项艰巨的技术挑战，因为每张图像都需要各自校准和对齐。STScI的研究天文学家安东·科克莫尔说：“你不可能指望当时的科学社区自行组合并完成800次曝光。我们的目标是让科学研究能够更快地完成。”这些努力产生了令人难以置信的图像，揭示了1万个横跨宇宙的星系，这些星系后来被称为哈勃超深空。

借助詹姆斯·韦伯太空望远镜，由STScI开发的“主管道”从其所有仪器中获取图像和数据，并使它们为科学做好准备。许多天文学家无论是业余的还是专业的，使用他们在发射前数月和数年开发的“子管道”来进一步研究数据。

这就是为什么当望远镜的数据开始向地球传输时，天文学家几乎可以立即了解他们所看到的东西，通常需要数月的分析时间变成了仅需数小时的处理时间。

“我们只需要坐在那里，”布拉默说，“突然之间，‘管道打开了，数据开始传输，我们也准备好了。”

?处不在的星系

哈勃太空望远镜距离地球表面仅几百公里，甚至宇航员都可以访问。多年来，美国国家航空航天局确实派了宇航员过去，执行了一系列维修和升级望远镜的任务，首先是修复其畸形的镜面——这是1990年发射后不久发现的一个问题。而詹姆斯·韦伯望远镜离地球的距离比月球更远，轻易不会有人造访。

许多人期待着詹姆斯·韦伯望远镜的正式交付，包括美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的光学望远镜元件经理李·范博格。“我们花了20年时间模拟望远镜的对准。”他说。这样是为了确保它能够准确地指向天空中的目标。

2022年3月，詹姆斯·韦伯望远镜终于到达了月球之外的目标位置，范博格和他的同事们终于准备好开始拍摄测试图像。一天早上，当他走进STScI时，屏幕上出现了其中一张测试图像，是一颗恒星。它包含了一个大惊喜。“那里包含了数百个星系。”范博格说，“我们惊呆了。”

这张照片是如此详细，它揭示了延伸到遥远宇宙的星系，尽管它并不是为了这样的目的而拍摄的。“每个人都不敢相信它展现出来的效果，”他说。

在进一步测试和校准仪器以使望远镜启动和运行之后，它执行了一项早期任务，使用低温冷却的中红外仪器（MIRI）观察WASP-39b。这是一个搭载在望远镜上的工具，它用红外线进行最深入的观察，可以很容易地检测到行星大气的许多特征。MIRI的光谱仪使科学家能够从WASP-39b的大气层中分辨出光线。

观察团队没有人工分析观测结果，而是使用了一个名为Eureka！（找到啦）的“管道”，该“管道”由加州湾区环境研究所的天文学家泰勒·贝尔开发。“目标是从原始数据中提取关于大气光谱的信息。”贝尔说。

像这样分析来自系外行星的信息通常需要数月的工作，但在“管道”的帮助下，拿到观察结果的几个小时内，二氧化碳的特征就跃然纸上。此后，有关这颗行星的许多其他细节也被公布出来，包括对其成分的详细分析和斑块云的存在。

其他人则将“管道”用于更遥远的目标。2022年7月，在研究來自詹姆斯·韦伯望远镜的早期图像时，由麻省理工学院洛汗·奈度领导的团队发现了GLASS-z13，这是一个遥远的星系，它的光可以追溯到宇宙大爆炸后仅3亿年——比之前已知的任何星系都要早。这一发现引起了全球的轰动，因为它表明星系的形成时间可能比之前预期的要早，可能早了几亿年——这意味着我们的宇宙形成的速度比之前认为的要快。

奈度的发现是由EAZY实现的，EAZY也是一种“管道”，用于在某种程度上粗略地分析望远镜图像中的星系光。它使用这些成像观察来估算与物体的距离，该工具开源在GitHub上供任何人使用。

?峰时间

一般来说在科学领域，研究人员会将一篇科学论文提交给期刊，然后由该领域的同行评审，最终得到一个批准发表或拒绝发表的结果。整个过程可能需要数月甚至数年，有时还会延迟发表——但始终秉承科学的准确性和严谨性。

但是，有一些方法可以绕过此过程。一种流行的方法是，在同行评审之前，在arXiv之类的预印本网站上发布论文的早期版本。这意味着研究可以在正式发表之前被阅读或公开。在某些情况下，一些研究可能从未提交给期刊，而是仅保留在arXiv上，并由科学家在推特和其他论坛上公开讨论。

当科学家们热衷于快速公开新发现时，在arXiv上发表文章很受欢迎，有时甚至有意在有竞争关系的论文发表之前。就詹姆斯·韦伯望远镜而言，在第一年里有大约20%的项目是开放获取的，这意味着数据在传输到地球后会立即公开发布。

这也意味着提出该计划的研究团队将立即与监控数据流的其他人竞争。当望远镜的数据流在2022年7月打开时，许多研究人员转向arXiv来发布早期结果——无论好坏。

意大利罗马天文台的天文学家埃米利亚诺·梅林说：“人们急于尽快发表任何东西。”

他参与了早期的望远镜数据分析工作，例如在宇宙大爆炸后寻找遥远宇宙中的星系。在确认其光的年龄之前，有关GLASS-z13和其他十几个候选星系的发现就已经被发表了。“这不是我个人真正喜欢的东西，”梅林说，“当你处理这种新事物和未知事物时，应该检查10次或100次。事情不是这样做的。”

一个担忧是望远镜的早期校准问题可能会导致错误。但到目前为止，许多早期结果经得起推敲。后续观测证实GLASS-z13是一个破纪录的早期星系，尽管它的年龄略有降低，导致该星系更名为GLASS-z12。

当然，我们也有可能发现比GLASS-z12更早形成的星系，这表明我们很可能需要重新思考我们对宇宙结构的理解，甚至可能暗示存在一个更激进的早期宇宙模型。

虽然望远镜的许多项目会立即公开发布数据，有时会导致人们疯狂地提前发布结果，但其中约80%的项目都有专有期限，允许提出这些项目的研究人员在12个月内独家访问他们的数据。这使得科学家，尤其是缺乏大型机构资源的小团体，能够在向公众发布数据之前更仔细地审查他们自己的数据。

欧洲航天局科学与探索高级顾问马克·麦考林说：“独家访问时间可以平衡资源。如果你拿走这些专有时间，你就相当于把它交到大团队的手里。”

然而，许多科学家并不会用到12个月，这意味着他们只会增加望远镜源源不断的新发现。除了正在进行的开放获取观测之外，还会有越来越多的专有结果向公众发布。

“现在数据的‘闸门已经打开，我们将在未来10年及以后不断看到论文。”哈梅尔说。也许远不止于此——詹姆斯·韦伯太空望远镜可能有超过20年的寿命，允许其运行持续到21世纪40年代。

“我们正在打开一扇了解宇宙的全新窗口，”哈梅尔说，“对于人类这个物种来说，我们正处在一个激动人心的时间点上。”