作者：劉豐(feng) 源（中國科學院國家天文台碩士研究生）

　　日前，一批特殊的照片吸引了人們(men) 的目光：美輪美奐的船底座星雲(yun) 、“南天指環”星雲(yun) 、“斯蒂芬五重奏”星係、SMACS 0723星係團深場……這些璀璨奪目照片背後的功臣，是人類迄今為(wei) 止最為(wei) 先進的空間天文設備——詹姆斯·韋布空間望遠鏡。

　　韋布是什麽(me) ？

　　一台巨大的“宇宙相機”

　　第一次看到詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST，以下簡稱韋布）的人，也許會(hui) 感到十分意外——拋開巨大的體(ti) 積不談，它金黃色的巨大麵板棱角分明，還連著一摞奇形怪狀的紫粉色薄膜，似乎和平時我們(men) 接觸的望遠鏡相去甚遠。

　　其實，韋布就像一台“宇宙相機”：主鏡、副鏡等相當於(yu) 沒有鏡筒的“鏡頭”，而其他部分則相當於(yu) “機身”。金色的六邊形麵板是它的主反射鏡，它的直徑為(wei) 6.5米，由18個(ge) 六邊形子鏡拚接而成。之所以要設計成拚接的形式，是因為(wei) 它實在太大，必須折疊後才能放入火箭的艙室內(nei) 。

　　如此巨大的鏡麵，正是韋布的科學雄心所在。光學定律告訴我們(men) ，望遠鏡的口徑越大，捕獲光子的效率就越高。天體(ti) 發射的光子好像傾(qing) 盆大雨中的雨滴，而更大的望遠鏡口徑就好比用更大的水桶去接雨水，在短時間內(nei) 就可以產(chan) 生較高亮度的圖像，從(cong) 而看見那些遙遠而黯淡的天體(ti) 。除此之外，更大口徑的鏡麵還擁有更高的分辨率，得到的圖像更清晰。這樣一來，我們(men) 拍到的天體(ti) 就有更加豐(feng) 富的細節。

　　完成一場“太空折紙”，並不是一件容易的事。韋布的每個(ge) 子鏡都由金屬鈹製作而成，輕盈、堅固；又鍍了一層極薄的黃金，既有效地反射紅外光，又不易變得暗淡。此外，每一麵子鏡都可以自由地改變曲率和指向。經過校準以後，它們(men) 會(hui) 共同組成一個(ge) 巨大的拋物麵，將星光聚攏到副鏡上。為(wei) 了合成完美的拋物麵，在太空中展開後，微型機械馬達必須將各個(ge) 子鏡無縫對齊，誤差不能超過頭發絲(si) 直徑的萬(wan) 分之一，其難度可想而知。

　　經過層層反射後，星光進入主鏡中央開口後方的“科學儀(yi) 器模塊”中，在那裏得到進一步的轉換和處理。韋布共攜帶四台終端科學儀(yi) 器，它們(men) 分別是中紅外儀(yi) 器（MIRI）、近紅外相機（NIRCam）、近紅外成像儀(yi) 和無縫光譜儀(yi) （NIRISS）、近紅外光譜儀(yi) （NIRSpec）。其中，中紅外儀(yi) 器可以在5～28微米的波長範圍內(nei) 工作，而近紅外的三台儀(yi) 器則在約0.6～5微米的波長範圍內(nei) 工作。相比較而言，人眼看到的光線波長範圍大約僅(jin) 在0.4～0.8微米範圍，要局限得多。

　　像普通相機一樣，中紅外儀(yi) 器、近紅外相機都可以拍攝圖像，但它們(men) 的靈敏度可比商業(ye) 相機甚至軍(jun) 用衛星高多了。它們(men) 能探測到低至幾納央斯基的流量，假設把一盞兒(er) 童睡覺時開的床頭夜燈放到月球上，從(cong) 地麵上看去，它的亮度都要比韋布的探測極限高二十倍！

　　在到達相機底片之前，星光還會(hui) 經過濾光輪，輪上安著十餘(yu) 種不同的濾光片。這些濾光片各自允許特定波長範圍的光線通過，可以根據電腦指令轉動到底片前方。這樣一來，天文學家拍攝的每一張圖片，就隻反映天體(ti) 在特定波長範圍內(nei) 的輻射情況。在不同濾鏡下拍攝照片，就能得知天體(ti) 在各個(ge) 波長的輻射分布，從(cong) 而推斷出天體(ti) 的性質。將不同濾鏡的照片在計算機裏分別賦予單一顏色，再疊加起來，就得到了我們(men) 常看到的色彩斑斕的天文照片。此外，韋布還配備了星冕儀(yi) 。它可以遮擋明亮的天體(ti) ，從(cong) 而讓天體(ti) 周圍暗弱的背景顯現出來。

　　但除了拍攝圖像，天文學家更翹首以盼的，是用韋布得到天體(ti) 的光譜信息。太陽光這樣的多色光經過大氣層中的水汽散射後，會(hui) 產(chan) 生絢麗(li) 的彩虹。光的能量按照波長（或頻率）的這種分布就叫作光譜。韋布的四台儀(yi) 器都可以進行光譜拍攝。原子、分子吸收或發射特定波長的光，會(hui) 在光譜上有所反映。通過光譜，我們(men) 可以知道天體(ti) 的類型、速度、距離、成分等重要信息，從(cong) 而畫出宇宙中天體(ti) 的“三維地圖”。

　　　為(wei) 何耗資88億(yi) 美元？

　　確保韋布拍出最好的照片

　　2021年12月，韋布望遠鏡搭乘著阿麗(li) 亞(ya) 娜5號火箭，在法屬圭亞(ya) 那的發射場升空。

　　這是一場遲到了14年的赴約。早在哈勃空間望遠鏡（HST，以下簡稱哈勃）發射以前，天文學家就開始考慮建造更強大的太空望遠鏡，稱作“下一代空間望遠鏡（NGST）”。最初的計劃僅(jin) 僅(jin) 是花費5億(yi) 美元，建造一台8米口徑的望遠鏡，並於(yu) 2007年發射。然而，項目一再擴增和延期。到韋布望遠鏡最終發射時，總投資已經超過100億(yi) 美元。

　　韋布延期主要是出於(yu) 安全方麵的考慮。空間望遠鏡出故障的先例不勝枚舉(ju) 。例如1990年哈勃發射後，天文學家就震驚地發現，它拍攝的圖像都很模糊：原來是鏡片磨製的形狀出了錯誤，沒辦法準確地聚焦光線！直到1993年，航天員駕駛航天飛機到太空中，為(wei) 哈勃加裝了一台“近視眼鏡”，成像才恢複正常。哈勃圍繞著近地軌道運行，出了錯還可以補救；但韋布在地球和太陽的第二拉格朗日點附近運行，繞著太陽公轉，離地球足足有150萬(wan) 公裏，是月球到地球距離的四倍。萬(wan) 一韋布出現了故障，在它整個(ge) “有生之年”內(nei) （預期壽命將超過十年），人類都無法親(qin) 自維修。因此，團隊必須在地麵上反複檢驗，確保萬(wan) 無一失。

　　為(wei) 什麽(me) 要把望遠鏡發射到這麽(me) 遠的距離上？進入太空的好處顯而易見：不再有白天黑夜的限製，沒有陰雨天氣影響，避免了大氣層吸收和折射星光……但地球時時刻刻散發著大致相當於(yu) 室溫的熱量，會(hui) 讓近地軌道上的航天器溫度上升。對於(yu) 韋布這樣的紅外探測器來說，是很大的幹擾。

　　一切物體(ti) 都會(hui) 發出紅外線。新冠肺炎疫情以來，我們(men) 也許已經習(xi) 慣於(yu) 見到自己在紅外照片裏的樣子了——公共場所的體(ti) 溫成像儀(yi) 正是紅外相機最常見的應用。人體(ti) 會(hui) 發出紅外線，太陽、地球、遙遠的恒星和星係也是如此。更奇妙的是，紅外線還能夠穿透遮蔽物。在星係中彌漫著大量微粒，稱為(wei) “星際塵埃”，會(hui) 阻擋紫外線和可見光，紅外線卻暢通無阻。因此，用紅外線觀測塵埃區有得天獨厚的優(you) 勢，能看到塵埃背後發光的天體(ti) 。

　　除此之外，那些極其遙遠的星係和星係際介質，發出的光會(hui) 發生所謂的“紅移”。多普勒效應告訴我們(men) ，物體(ti) 一旦和觀測者相背而行，觀測者看到的波長就會(hui) 變長。而按照宇宙膨脹理論，遙遠的天體(ti) 都是在遠離我們(men) 的。這樣一來，它們(men) 的輻射就會(hui) 整體(ti) 向光譜的紅端移動。天體(ti) 越遠，遠離我們(men) 的速度就越快，紅移也就越大。而在遙遠的星係中，有很大一部分的能量本來是在可見光波段發出的。經過紅移之後，這部分能量正好位於(yu) 韋布探測的紅外波段，因此，韋布也極為(wei) 適合探測那些最為(wei) 遙遠的天體(ti) 。

　　但是，韋布望遠鏡畢竟處在太陽係中，免不了受太陽照射。如果鏡身溫度太高，自身產(chan) 生的紅外線也會(hui) 幹擾觀測。為(wei) 此，韋布配備了被動和主動兩(liang) 種降溫方式。

　　在朝向太陽的方向，韋布撐起了一把“遮陽傘(san) ”——網球場一樣大的聚酰亞(ya) 胺薄膜。這種材料不足一毫米厚，不僅(jin) 輕便，而且還能承受很大的溫差。薄膜共有五層，每層上麵都鍍了鋁，能很好地反射並隔絕熱量。在麵朝太陽的前兩(liang) 層上，還特別覆蓋了粉紅色的摻雜矽塗層，散熱效率大大提高。

　　在薄膜朝向太陽的一麵，溫度高達110攝氏度；而經過五層薄膜的阻隔，背向太陽的一麵足足降到了零下230攝氏度以下。我們(men) 常用的護膚霜或遮陽傘(san) “防曬指數”不過50左右，但韋布的遮陽傘(san) “防曬指數”足足達到了100萬(wan) ，意味著隻有百萬(wan) 分之一的“漏網之魚”。

　　不過，科學儀(yi) 器模塊中的儀(yi) 器對溫度極其敏感，僅(jin) 靠被動冷卻是不夠的。例如中紅外儀(yi) 器需要在零下266攝氏度才能正常工作（僅(jin) 比絕對零度高了7度），這時就需要“低溫冷卻器”登場了。除了先進的冷卻機製外，它也許還是世界上最“靜音”的冰箱——因為(wei) 哪怕一點點振動，都會(hui) 造成災難般的圖像模糊。

　　韋布要做什麽(me) ？

　　加深人們(men) 對宇宙的理解

　　作為(wei) 人類最昂貴、最大、最先進的空間望遠鏡，韋布的主要使命被歸類為(wei) 四個(ge) 領域：宇宙曙光與(yu) 再電離、不同時期的星係、恒星與(yu) 原行星係統誕生、行星係統與(yu) 生命起源。

　　首先，紅外波段適合觀測那些遙遠的天體(ti) ，韋布的一項重要任務就是了解宇宙的早期曆史。光速是有限的，光線穿過遙遠的距離需要時間。太陽光需要8分鍾才能抵達地球，所以我們(men) 在地球上看到的是8分鍾前的太陽；近鄰星係發出的光線需要千萬(wan) 年才能抵達太陽係，我們(men) 看到的也是它們(men) 千萬(wan) 年前的樣子。從(cong) 這個(ge) 意義(yi) 上來說，宇宙就像一座時間展覽館：我們(men) 看得越遠，看到的展品就越古老。

　　我們(men) 平時觀測的近鄰星係，紅移基本都在0.1以下；紅移2到3，就被天文學家稱作是高紅移星係，已經相當難以探測了。而韋布預計將看到紅移接近20的初代星係，它們(men) 極其遙遠，韋布觀測到的光，是宇宙才剛剛誕生不到2億(yi) 年的時候發出的。在韋布發布的第一批數據裏，天文學家就已經探測到紅移10左右的星係了。更深場的積分甚至有望追溯到宇宙再電離時期，那是宇宙中的第一縷曙光。

　　其次，韋布能夠直接看到星係中那些誕生恒星的巨大塵埃雲(yun) ，而這些雲(yun) 對哈勃等光學望遠鏡而言是不透明的。包括太陽在內(nei) 的恒星，正是由這樣的星雲(yun) 坍縮形成，但其具體(ti) 過程我們(men) 卻還未弄懂。不僅(jin) 如此，韋布甚至能直接看到行星形成過程中存在的原行星盤，從(cong) 而讓我們(men) 更加了解原始行星係的形成。

　　再次，韋布擁有驚人的分辨率和靈敏度，那麽(me) 當它注視那些較近的星係時，必將揭示出細節異常豐(feng) 富的形態和光譜信息。我們(men) 已經知道，星係分為(wei) 若幹類型，它們(men) 的組成成分不同，彼此之間也存在著演化關(guan) 係。通過巡天獲得大量星係數據，韋布有望回答一係列關(guan) 鍵問題，例如黑洞如何影響宿主星係、星係的形態是怎麽(me) 產(chan) 生的、化學元素在星係中如何分布……

　　最後，太空中是否有其他生命也是韋布的關(guan) 注點。當係外行星從(cong) 母星前經過時，大氣層中特定的元素將會(hui) 吸收母星發出的光。韋布探測到這種吸收光譜，便可以得知係外行星的大氣成分。在發布的首批照片中，天文學家已經證明了一顆係外行星中具有水分子。有朝一日，我們(men) 或許會(hui) 在係外行星大氣中探測到更多“生物印記”——例如甲烷、氧氣等，它們(men) 暗示著地外生命存在的可能性。韋布還將調查太陽係內(nei) 的天體(ti) ：彗星、小行星、冰衛星等……熟悉了我們(men) 的“鄰居”，我們(men) 對自己的起源也會(hui) 有更深的理解。

　　與(yu) 韋布同期，中國的空間天文事業(ye) 也在蓬勃發展。“悟空”號暗物質粒子探測衛星、“慧眼”硬X射線調製望遠鏡衛星等取得了優(you) 異成果，中國空間站工程巡天望遠鏡、愛因斯坦探針衛星等一批先進設備也正在籌劃中。然而，我們(men) 至今還沒有自己的紅外天文衛星，在天文儀(yi) 器研發的人才儲(chu) 備、紅外探測器的工藝，以及設計決(jue) 策等層麵，也都還有一定差距。

　　如果將宇宙比作一座寶庫，韋布的首批照片隻不過是站在大門口的一瞥。在接下來的太空之旅中，韋布必將向人類展示宇宙的更多珍寶。我們(men) 也更希望有朝一日能看到中國自己的紅外空間望遠鏡翱翔天際，向太空投去屬於(yu) 我們(men) 的目光。