韋伯空間望遠鏡的觀星之道（韋布空間望遠鏡的觀星之道）

2023-05-24 21:58:45 2

作者：劉豐源（中國科學院國家天文臺碩士研究生）

日前，一批特殊的照片吸引了人們的目光：美輪美奐的船底座星雲、「南天指環」星雲、「史蒂芬五重奏」星系、SMACS0723星系團深場……這些璀璨奪目照片背後的功臣，是人類迄今為止最為先進的空間天文設備——詹姆斯·韋布空間望遠鏡。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的宇宙圖像。新華社發

詹姆斯·韋布空間望遠鏡。資料圖片

詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的宇宙圖像。新華社發

韋布是什麼？

一臺巨大的「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，也許會感到十分意外——拋開巨大的體積不談，它金黃色的巨大面板稜角分明，還連著一摞奇形怪狀的紫粉色薄膜，似乎和平時我們接觸的望遠鏡相去甚遠。

其實，韋布就像一臺「宇宙相機」：主鏡、副鏡等相當於沒有鏡筒的「鏡頭」，而其他部分則相當於「機身」。金色的六邊形面板是它的主反射鏡，它的直徑為6.5米，由18個六邊形子鏡拼接而成。之所以要設計成拼接的形式，是因為它實在太大，必須摺疊後才能放入火箭的艙室內。

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

完成一場「太空摺紙」，並不是一件容易的事。韋布的每個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，每一面子鏡都可以自由地改變曲率和指向。經過校準以後，它們會共同組成一個巨大的拋物面，將星光聚攏到副鏡上。為了合成完美的拋物面，在太空中展開後，微型機械馬達必須將各個子鏡無縫對齊，誤差不能超過頭髮絲直徑的萬分之一，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「科學儀器模塊」中，在那裡得到進一步的轉換和處理。韋布共攜帶四臺終端科學儀器，它們分別是中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機（NIRCam）、近紅外成像儀和無縫光譜儀（NIRISS）、近紅外光譜儀（NIRSpec）。其中，中紅外儀器可以在5～28微米的波長範圍內工作，而近紅外的三臺儀器則在約0.6～5微米的波長範圍內工作。相比較而言，人眼看到的光線波長範圍大約僅在0.4～0.8微米範圍，要局限得多。

像普通相機一樣，中紅外儀器、近紅外相機都可以拍攝圖像，但它們的靈敏度可比商業相機甚至軍用衛星高多了。它們能探測到低至幾納央斯基的流量，假設把一盞兒童睡覺時開的床頭夜燈放到月球上，從地面上看去，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，星光還會經過濾光輪，輪上安著十餘種不同的濾光片。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，就只反映天體在特定波長範圍內的輻射情況。在不同濾鏡下拍攝照片，就能得知天體在各個波長的輻射分布，從而推斷出天體的性質。將不同濾鏡的照片在計算機裡分別賦予單一顏色，再疊加起來，就得到了我們常看到的色彩斑斕的天文照片。此外，韋布還配備了星冕儀。它可以遮擋明亮的天體，從而讓天體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，會產生絢麗的彩虹。光的能量按照波長（或頻率）的這種分布就叫作光譜。韋布的四臺儀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，會在光譜上有所反映。通過光譜，我們可以知道天體的類型、速度、距離、成分等重要信息，從而畫出宇宙中天體的「三維地圖」。

為何耗資88億美元？

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亞娜5號火箭，在法屬蓋亞那的發射場升空。

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）」。最初的計劃僅僅是花費5億美元，建造一臺8米口徑的望遠鏡，並於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100億美元。

韋布延期主要是出於安全方面的考慮。空間望遠鏡出故障的先例不勝枚舉。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，航天員駕駛太空梭到太空中，為哈勃加裝了一臺「近視眼鏡」，成像才恢復正常。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150萬公裡，是月球到地球距離的四倍。萬一韋布出現了故障，在它整個「有生之年」內（預期壽命將超過十年），人類都無法親自維修。因此，團隊必須在地面上反覆檢驗，確保萬無一失。

為什麼要把望遠鏡發射到這麼遠的距離上？進入太空的好處顯而易見：不再有白天黑夜的限制，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室溫的熱量，會讓近地軌道上的太空飛行器溫度上升。對於韋布這樣的紅外探測器來說，是很大的幹擾。

一切物體都會發出紅外線。新冠肺炎疫情以來，我們也許已經習慣於見到自己在紅外照片裡的樣子了——公共場所的體溫成像儀正是紅外相機最常見的應用。人體會發出紅外線，太陽、地球、遙遠的恆星和星系也是如此。更奇妙的是，紅外線還能夠穿透遮蔽物。在星系中瀰漫著大量微粒，稱為「星際塵埃」，會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勢，能看到塵埃背後發光的天體。

除此之外，那些極其遙遠的星系和星系際介質，發出的光會發生所謂的「紅移」。都卜勒效應告訴我們，物體一旦和觀測者相背而行，觀測者看到的波長就會變長。而按照宇宙膨脹理論，遙遠的天體都是在遠離我們的。這樣一來，它們的輻射就會整體向光譜的紅端移動。天體越遠，遠離我們的速度就越快，紅移也就越大。而在遙遠的星系中，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韋布探測的紅外波段，因此，韋布也極為適合探測那些最為遙遠的天體。

但是，韋布望遠鏡畢竟處在太陽系中，免不了受太陽照射。如果鏡身溫度太高，自身產生的紅外線也會干擾觀測。為此，韋布配備了被動和主動兩種降溫方式。

在朝向太陽的方向，韋布撐起了一把「遮陽傘」——網球場一樣大的聚醯亞胺薄膜。這種材料不足一毫米厚，不僅輕便，而且還能承受很大的溫差。薄膜共有五層，每層上面都鍍了鋁，能很好地反射並隔絕熱量。在面朝太陽的前兩層上，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面，溫度高達110攝氏度；而經過五層薄膜的阻隔，背向太陽的一面足足降到了零下230攝氏度以下。我們常用的護膚霜或遮陽傘「防曬指數」不過50左右，但韋布的遮陽傘「防曬指數」足足達到了100萬，意味著只有百萬分之一的「漏網之魚」。

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

韋布要做什麼？

加深人們對宇宙的理解

作為人類最昂貴、最大、最先進的空間望遠鏡，韋布的主要使命被歸類為四個領域：宇宙曙光與再電離、不同時期的星系、恆星與原行星系統誕生、行星系統與生命起源。

首先，紅外波段適合觀測那些遙遠的天體，韋布的一項重要任務就是了解宇宙的早期歷史。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分鐘才能抵達地球，所以我們在地球上看到的是8分鐘前的太陽；近鄰星系發出的光線需要千萬年才能抵達太陽系，我們看到的也是它們千萬年前的樣子。從這個意義上來說，宇宙就像一座時間展覽館：我們看得越遠，看到的展品就越古老。

我們平時觀測的近鄰星系，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系，已經相當難以探測了。而韋布預計將看到紅移接近20的初代星系，它們極其遙遠，韋布觀測到的光，是宇宙才剛剛誕生不到2億年的時候發出的。在韋布發布的第一批數據裡，天文學家就已經探測到紅移10左右的星系了。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系中那些誕生恆星的巨大塵埃雲，而這些雲對哈勃等光學望遠鏡而言是不透明的。包括太陽在內的恆星，正是由這樣的星雲坍縮形成，但其具體過程我們卻還未弄懂。不僅如此，韋布甚至能直接看到行星形成過程中存在的原行星盤，從而讓我們更加了解原始行星系的形成。

再次，韋布擁有驚人的解析度和靈敏度，那麼當它注視那些較近的星系時，必將揭示出細節異常豐富的形態和光譜信息。我們已經知道，星系分為若干類型，它們的組成成分不同，彼此之間也存在著演化關係。通過巡天獲得大量星係數據，韋布有望回答一系列關鍵問題，例如黑洞如何影響宿主星系、星系的形態是怎麼產生的、化學元素在星系中如何分布……

最後，太空中是否有其他生命也是韋布的關注點。當系外行星從母星前經過時，大氣層中特定的元素將會吸收母星發出的光。韋布探測到這種吸收光譜，便可以得知系外行星的大氣成分。在發布的首批照片中，天文學家已經證明了一顆系外行星中具有水分子。有朝一日，我們或許會在系外行星大氣中探測到更多「生物印記」——例如甲烷、氧氣等，它們暗示著地外生命存在的可能性。韋布還將調查太陽系內的天體：彗星、小行星、冰衛星等……熟悉了我們的「鄰居」，我們對自己的起源也會有更深的理解。

與韋布同期，中國的空間天文事業也在蓬勃發展。「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，我們至今還沒有自己的紅外天文衛星，在天文儀器研發的人才儲備、紅外探測器的工藝，以及設計決策等層面，也都還有一定差距。

如果將宇宙比作一座寶庫，韋布的首批照片只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，向太空投去屬於我們的目光。

《光明日報》（ 2022年08月04日16版）

來源： 光明網-《光明日報》