人类仰望星空的“黄金眼”追寻外星球上的生命

申卫峰

美国当地时间3月16日，美国国家航空航天局（NASA）发布詹姆斯·韦布太空望远镜拍摄的一颗恒星的照片，图像背景中璀璨的古老星系令科学家激动不已。不过，这次发布的恒星照片是在望远镜调试过程中拍摄的测试照片，并非正式观测照片。

NASA当天发表声明说，截至3月11日，韦布望远镜已经完成7个调试步骤中的5个，观测效果有望达到甚至超出预期目标。预计5月初调试完毕，6月底前后正式“上岗”，并于今夏发布第一张正式观测照片。届时，韦布望远镜有望探测到宇宙最早形成时的第一批星系发出的亮光，甚至还能帮助人类追寻外星球上的生命，而它未来的发现，很可能将再度改写教科书。

哈勃“接班人”在太空超低温条件下拍摄红外光

1990年4月，NASA向距离地面575公里处发射了哈勃太空望远镜（下称哈勃望远镜）。从那时起，这架光学望远镜为人类天文学事业提供了很多前所未见的观测结果。但由于其最初性能不佳，1993年12月，NASA不得不派航天飞机上去维修。

不过，NASA一部分人不看好这样的维修任务，于是他们牵头成立了“哈勃太空望远镜及未来”委员会，评估维修任务的可行性，以及假如维修失败，下一代太空望远镜的建造问题。然而，维修行动成功了。这个委员会的任务便从研究哈勃望远镜替代者转型为研究更先进的太空望远镜。

哈勃望远镜主要针对可见光、近紫外线和近红外波段进行观测，但太空中很多天体的温度很低（比如行星或尘埃盘），其发出的光辐射波长很长，属于红外光。此外，一些可以追溯到最早星系的古老天体，由于存在很大的红移，整体光谱也偏向红外。要完成对这些天体的观测，需要一种更冷、更大的望远镜。

哈勃望远镜工作时的温度一般维持在15℃左右，而韦布望远镜为了能观测设计目标的中红外线，需要将自身温度降到零下223℃以下即用液氮或者主动温控对红外相机进行制冷。与此同时，由于韦布望远镜工作时也会发热，其产生的热红外线将很容易淹没想要观测的外界红外线。因此，科学家为了实现观测条件，给韦布望远镜盖上了5层厚厚的“遮阳伞”——聚亚胺薄膜。这5层薄膜，每一层面积接近网球场大小，却只有头发丝的厚度，每层薄膜两面镀铝，以反射光和热，最靠近向阳面的两层薄膜还掺入了硅，可以将太阳光带来的热量反射回太空里去。要知道朝向深空和朝向太阳的两侧，温差极限超过300℃。

按照设计，韦布望远镜将被安置在地球第二拉格朗日点上的光晕轨道，围绕第二拉格朗日点做圆周运动，故而，太阳、月亮、地球都会一直处于韦布望远镜的同一侧，来自地球和月亮反射的太阳光以及地球和月亮自身的红外线辐射都可以被这5层遮阳的薄膜所隔绝。而位于该区域还能减少在轨期间燃料用量，并与NASA“深空网络”天线保持通信。

“鸽王”诞生记耗资100亿美元，发射延迟10多年

美国当地时间2021年12月24日，耗资100亿美元、连续“放鸽子”10多年后，韦布望远镜终于发射升空。

这个被称为未来10年人类观察宇宙的理想平台，由NASA、欧洲航天局和加拿大航天局联合建造，从1997年开始立项、2004年开始建造，发射时间从最初的2007年，经过多次延迟最终到2021年12月，中途经历了遮阳薄膜实验破裂、疫情延期、星箭通信故障等波折，预算投入也从立项时的5亿美元，经过10多次的扩充，最终到100亿美元——要知道，100亿美元可以造大半艘福特级航母了。

韦布望远镜总重达6.2吨，由光学和科学仪器、遮阳板以及被称为“航天器总线”的支持系统等部分组成。其中光学模块采用“三反射镜消像散系统”：被主镜捕捉的红外线要经过次镜和三级镜反射，再由精细转向镜传递至科学仪器模块。直径达6.5米的主镜是韦布望远镜的最亮眼之处，由18块六边形镜片拼接而成，采集光线面积达到其“前任”也是哈勃望远镜的5倍以上。次镜由3个从主镜正面延伸出来的长臂支撑，三级镜和精细转向镜被安置在主镜中心凸起的黑色“鼻锥”内。三级反射镜制造材料均选用低温下不易收缩变形的金属铍，而镜片表面喷涂了100纳米厚的黄金，以优化镜面反射红外线的性能。

集成科学仪器模块位于主镜背面，包含近红外相机、近红外光谱仪、近红外成像仪和无缝隙光谱仪、中红外仪等设备，它们将对韦布望远镜收集到的光线进行分析成像。再加上前文提到的5层“遮阳伞”，便构成了韦布望远镜硕大的体型。

如此硕大的体型，只能以折叠的状态装进阿丽亚娜5型火箭的整流罩内，待发射升空后再打开。去年12月24日韦布望远镜发射升空，而到了今年1月8日主镜才完全打开。1月24日，经过一个月的飞行，韦布望远镜抵达距离地面约150万公里的日地系统第二拉格朗日點运行轨道。又经过了10多天的设备校准、调试后，2月11日，NASA宣布，韦布望远镜传回了第一批太空照片，拍摄对象是258光年外大熊星座的一颗恒星。

如今，韦伯望远镜再传回另一颗恒星照片，与此前发回的望远镜主镜18片镜片分别拍摄的18个图像不同，这次拍摄的恒星图像为18片镜片统一聚焦生成的一个图像。

参与韦布望远镜项目的科学家珍妮·里格比说：“你禁不住会去看它后面数以千计的星系，太美了。”

“黄金眼”重任探寻135亿年前宇宙第一批恒星

“哈勃太空望远镜在很多方面彻底改变了我们对太空的了解。”韦布太空望远镜科学项目副主任卡尔蒂克·谢特表示，“例如，它提供了很多关于星系如何形成和演化的信息，但它主要还是一个光学望远镜。虽然哈勃望远镜有几部红外相机，但它们的灵敏度不够高，人们需要使用更高灵敏度的红外设备。由于宇宙膨胀，第一批天体的光线抵达望远镜时，已经偏向电磁光谱的红色一端。韦布太空望远镜因此应运而生，它将让我们看到宇宙很年轻时的景象。”

据NASA介绍，韦布望远镜将观测135亿多年前宇宙中第一批恒星——宇宙大爆炸后“第一缕光”是如何诞生的，以及第一批星系怎样形成的。若韦布望远镜探测到第一代星系，结合其他望远镜对宇宙不同时期各类星系的观测，天文学家就能研究星系是如何一步一步成长的，从而描绘出星系演化的完整图景。

◎ 来源|深圳特区报