全世界最牛的望远镜，升空了

　　除了仰望星空，我们还能如何观察宇宙？
　　太空望远镜是答案之一。
　　4月28日，NASA宣布，韦伯望远镜已经完成了镜面校准，并公布了它的测试图像。
　　韦伯望远镜公开的测试图像只展示了它拍摄成果的一部分。 图片来源：Twitter@NASA Webb Telescope
　　5月2日的新闻发布会上，NASA的韦伯天文台项目科学家麦克埃尔温（Michael McElwain）表示：
　　「这些是太空望远镜能拍摄到的最清晰红外图像。」
　　在去年的12月25日，由美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局合作的新太空望远镜—— 詹姆斯·韦伯太空望远镜 顺利升空。
　　它具备更高的红外分辨率和灵敏度，能够观测到亮度更微弱的星体，是目前为止，红外线探测能力最强的太空望远镜。
　　换句话说， 它是当下最强大的望远镜 。
　　韦伯望远镜有能力观测到最遥远和最原始的星系的微弱信号，帮助科学家们寻找宇宙大爆炸初期留下的痕迹，研究宇宙历史演变的每个阶段。
　　可以想见，在不远的将来，韦伯望远镜将进一步影响人类的自然观，带领空间天文学进入一个新的时代。
　　地球之外，还有我们所熟知的哈勃太空望远镜。
　　它与韦伯这两架太空望远镜领域的最尖端科技，是我们探索宇宙奥秘的最前沿工具。
　　/ 01 /韦伯：新的征程
　　观测星系发出的红外线，对太空望远镜来说是一项重要任务。
　　在宇宙中，有许多星系在红外线波段的检测下，呈现出非常活跃的态势，而在可见光波段的活动则非常微弱，几乎不可见。
　　红外线指的是波长介于微波与可见光之间的电磁波，是一种不可见光，有温度的物体会发出不同波长的红外线。图为可见光的光谱，波长在最左侧数值外的即为红外线。 图片来源：HOTWORX
　　然而，哈勃望远镜只能进行一些红外线的基础探测工作。
　　这就意味着，研发一台具备强力红外线探测能力的太空望远镜迫在眉睫。
　　韦伯望远镜应运而生。
　　从一开始，韦伯望远镜的定位就很明确：一台能 最大限度探测红外线 的太空望远镜。
　　而它具体的四大目标，也多是围绕着红外线观测展开：
　　第一，捕捉宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光。
　　目前，宇宙科学家们普遍认为，最古老的恒星和星系是在宇宙大爆炸之后一亿年左右形成的。
　　但距离它们的诞生过去了数百亿年，它们本身早已毁灭，只剩下光的残影留在宇宙中。
　　但随着宇宙不断膨胀，它们所发出的光线会越来越长，越来越接近红外线——这种现象也被称为「宇宙学红移」。
　　只有捕捉到这些光线，我们才能看到，发出光的恒星和星系的全貌。
　　而这，正是韦伯望远镜的专长。
　　韦伯望远镜的反射镜能够将这些红外线全盘接收，并发送到其配备的红外仪器上，进行具体分析。
　　而对于这些早期星系的研究，将为我们还原宇宙婴儿期的模样，提供不可或缺的信息。
　　第二，总结星系的形成和演化规律。
　　提到星系，第一时间跃入你脑海的，也许是一个巨大的螺旋。
　　哈勃望远镜拍摄的螺旋状星系。 图片来源：NASA
　　但如果把视角移向非常遥远的星系，你会发现，这些星系大多是小而结块的。
　　我们熟悉的螺旋，是在数亿年中慢慢形成的，这一历程中，包括了小星系之间的相互碰撞。
　　可以说，几乎所有我们看到的大型星系，都经历过至少一次的碰撞合并，才演变为现在的模样。
　　两个星系在碰撞之中。 图片来源：NASA
　　韦伯望远镜将收集早期星系的数据，与现在的星系进行对比，这将为我们解答，星系到底是如何演化的。
　　而掌握星系的演化规律，不仅有助于我们进一步了解自己的家园——银河系，还能帮助我们回答那个古老的问题：
　　茫茫宇宙之中，人类将何去何从？
　　第三，总结恒星和行星形成的过程。
　　哈勃望远镜曾经拍摄过一张著名的照片：创世之柱。
　　创世之柱。 图片来源：NASA
　　虽然照片上显示的星星数量并不多，但实际上，图中位置存在有无数颗明亮的年轻恒星。
　　只是由于灰尘的存在，摄像机无法接收到来自这些恒星的光线，将之显示在照片上。
　　后来，哈勃望远镜使用了近红外摄像机，再一次地拍摄了创世之柱。
　　这次，恒星们瑰丽的模样终于得以展现。
　　创世之柱的真实模样。围绕在恒星们周围的这些尘埃，与它们形成的过程密切相关。 图片来源：NASA
　　要知道的是，韦伯望远镜接收近红外线的能力，远远强于哈勃望远镜。
　　也就是说，在可预见的未来，韦伯望远镜将为我们拍摄下更为清晰、细节更饱满的星系图像。
　　蕴藏在这些图像中的信息，将告诉我们，尘埃和气体云究竟如何坍缩形成了恒星，以及这些幼年恒星周围，又如何形成了行星系统。
　　第四，辅助研究行星系统和生命起源的规律，寻找新的宜居行星。
　　韦伯望远镜升空后的第一个项目，就是观察一个名为TRAPPIST-1的系外行星系统。
　　这个系统中，有三颗行星，都存在类似地球的环境，甚至可能有液态水和生命。
　　TRAPPIST-1距离我们约40光年，由七颗岩石行星和一颗恒星构成。图为这些行星与地球和其他太阳系行星的数值对比，可以看出差距很小。 图片来源：NASA
　　虽然这颗恒星远远达不到太阳的温度，但由于行星轨道靠近恒星，行星们接收到的光照水平与地球上的很相似。
　　在恒星周围，形成了宜居带。这三颗行星正处于其中。
　　研究这样的行星系统，既能帮助我们更深地去认识，地球是怎么变成现在的模样，也蕴藏着发现地外文明的希望。
　　这些系外行星大气中的分子，在红外波长处具有最多的光谱特征。
　　而擅长收集红外线的韦伯望远镜，便能够通过检测这些行星的大气构成，寻找到与地球的大气层成分相似的行星。
　　这样的行星，存在生命的概率将远远高于其他行星。
　　欧洲航天局韦伯项目的科学家埃文斯（Christopher Evans）曾在采访中表示：
　　「一旦我们看到（韦伯望远镜）对这些初步观测结果能做什么，天文学将焕然一新。」
　　作为新一代的太空望远镜，韦伯望远镜的能力毋庸置疑。
　　但哈勃望远镜，也并不会立刻消失在我们的视野里。
　　在接下来很长一段时间里，它将与韦伯互为补充，一同工作。
　　/ 02 /哈勃：宝刀未老
　　虽然韦伯望远镜经常被形容为哈勃望远镜的继任者，但事实上，它们之间有着明显的差别。
　　哈勃、韦伯与还在建设中的罗曼望远镜的比较简图。 图片来源：NASA
　　首先，哈勃望远镜围绕地球运行，而韦伯望远镜则围绕太阳运行。
　　这与技术的发展有关，毕竟，哈勃望远镜早诞生三十余年，当时的技术并不足以将哈勃望远镜送到那么远的地方。
　　但这也使得，两台望远镜与地球的「亲密」程度大不相同：
　　哈勃望远镜能够随时得到地球的援助，如果某些零件损坏，航天飞机可以立刻启程进行检修和更换。
　　而距离过远的韦伯望远镜，则没有这样的待遇。
　　同时，韦伯望远镜也不太可能得到燃料的补充，在装载的可供约十年使用的燃料耗尽后，它将逐渐偏离现有路径，成为不可回收的太空垃圾之一。
　　哈勃望远镜的长寿，不太可能在韦伯望远镜身上得到复制。
　　其次，哈勃望远镜主要观察宇宙中的可见光和紫外线波长，只是具备一定的红外线观测能力，而韦伯望远镜将主要用红外线观察宇宙。
　　哈勃望远镜的镜面直径只有2.4米，这极大限制了它观测遥远星际的能力。
　　而韦伯望远镜的镜面直径长达6.5米，因此，它可以看到更远和更暗的物体。
　　约翰·霍普金斯实验室的天体物理学家史蒂文森（Kevin Stevenson）就表示：
　　「韦伯望远镜将补充哈勃望远镜，提供对恒星和系外行星的全方位了解。」
　　哈勃望远镜将作为「先遣队」，为我们对宇宙的探索找到目标；
　　而韦伯望远镜则能立刻跟进，深入收集其中的细节信息。
　　就在不久前（3月31日），哈勃望远镜还立下大功： 拍下了一个129亿年前诞生的星系 。
　　在公开的图片中，这个星系很小，但仍然清晰可见。 图片来源：NASA
　　这也是目前为止，人类观测到的，距离我们最遥远的星系。
　　接下来，韦伯望远镜则将发挥自己的优势，跟进探索。
　　太空望远镜科学研究所 （STScI） 的科伊（Dan Coe）对此评价道：
　　「我们希望能通过韦伯望远镜确认，那里确实有一颗恒星，并测量出它的亮度和温度。」
　　当然，从1990年4月24日到现在，哈勃望远镜毕竟已经工作了三十余年。
　　它的老化是不争的事实，仅在2021年，它就发出过三次错误代码。
　　但至少在目前，韦伯望远镜并不能完全替代它，哈勃望远镜还不能彻底「退休」。
　　/ 03 /研发：摸索前进
　　了解了韦伯望远镜和哈勃望远镜的强大功能后，你也许会对太空望远镜的研发过程感到好奇。
　　毕竟，在太空望远镜上，融汇了太多的前沿科技。
　　其实，作为高精尖仪器，太空望远镜的研发极为困难。
　　而在韦伯望远镜身上，这种困难，被展现得淋漓尽致。
　　从投资上，韦伯望远镜的耗资高达100亿美金。
　　可以说，即使在资金投入量相对较大的科学领域，这也是一笔巨款。
　　而为了完成既定目标，科学家们在建造韦伯望远镜时更是不懈努力。
　　原本预计2007年完成的韦伯望远镜项目，几度辗转，最终才在2021年发射，飞向了它梦寐以求的太空。
　　具体的技术难点不胜枚举，在此只列出几个最具代表性的难题：
　　首先，前文已经提到过，韦伯望远镜的设备中，反射镜的直径有6.5米长。但现有的运载火箭，根本无法装载如此之大的反射镜。
　　为了解决这一问题，科学家们设计了一个复杂的解决方案：
　　主镜被设计为由18块六边形镜片组成的可折叠反射镜，其中设置有微型马达，将帮助这面折叠镜在展开时达到完美角度。
　　反射镜的折叠与展开示意图。 图片来源：Quanta magazine
　　其次，为了实现拍摄的清晰准确，韦伯望远镜还采用了全新的微快门技术。
　　微快门指的是在拍摄过程中，能够尽可能高速地成像，把延迟压缩到最低。
　　为了完善这一技术，仪器技术和系统部门的首席工程师贾华拉（Murzy Jhabvala）曾经坦言：
　　「我们在这个设计上工作了六年多，为了完善技术，打开和关闭微型百叶窗数万次。」
　　最后，为了观测到更多的红外线，韦伯望远镜还必须保持在低温状态。
　　为了隔绝来自太阳、地球、月亮的热辐射，它设计了特别的薄膜遮阳板。
　　但这差点让韦伯望远镜计划胎死腹中。
　　这五层遮阳板，每一层都像头发丝一样轻薄，双面涂有铝，在向阳面，又加涂了一层特制硅，以便于将太阳的热量反射回太空。
　　在2018年测试期间，脆弱的薄膜结构意外撕裂，直接导致了该项目的延迟。
　　问题如此之多，以至于韦伯项目的总工程师门泽尔（Michael Menzel）在调试过程中，痛苦地表示： 「我有信心吗？是的。我相信我们已经尽了一切努力。」
　　「会不会出问题？见鬼了，会。」
　　幸运的是，这些问题最终都得到了解决。
　　而与韦伯望远镜能带来的贡献相比，为了建成它，付出的高昂成本，似乎也是值得的。
　　它所指向的、看到的，是数十亿甚至一百多亿年前的星星之光，是遥远的天体，是宇宙的历史。
　　而它通过更新我们对宇宙以及其历史的了解，正在为我们创造新的未来。
　　正如NASA局长尼尔森（Bill Nelson）在接受采访时所说的：
　　「我们不知道韦伯会让我们发现什么，那是我们尚不了解或尚无法理解的宇宙中的东西……我们正处于一个激动人心的发现时代的边缘。」
　　参考资料
　　Paul Anderson.Webb fully aligned! See the new test images，2022-03-08.
　　Nola TillmanHubble.Space Telescope: Pictures, facts & history，2022-01-31.
　　韦伯太空望远镜升空：史上最大最昂贵，将探索宇宙起源.The Times，2021-12-27.
　　James Webb Space Telescope gets ready to gaze deep into the universe.Astronomy，2022-03-22.
　　How JWST could detect industrial gases in exoplanet atmospheres.Astronomy，2022-03-17.