陈根：精密工程的奇迹，我们为什么需要韦伯望远镜？

文/陈根

太空中充满了运动。在宇宙中，太阳每秒会减少400万吨的质量，同时约有4800颗新恒星诞生，约有10颗恒星爆炸形成黑洞或中子星。外缘处，宇宙持续膨胀了9亿年。我们今天之所以能观察到太阳的运动，而不是像过去几个世纪的天文学家只能看到遥远的物体悬挂在黑色的天空上一样，是因为我们借助了超级望远镜，这让宇宙的奇观生动地展现出来。

地球轨道上的哈勃空间望远镜的诞生曾揭示了许多有关宇宙的奇妙信息，自哈勃空间望远镜之后，美国、欧洲和加拿大又合作成功将詹姆斯·韦伯太空望远镜送上太空。作为哈勃望远镜的继任者，韦伯太空望远镜被天文学家寄予希望去探测更多有关宇宙起源的奥秘。在《麻省理工科技评论》最新的 2023 年“十大突破性技术”榜单中，作为作为精密工程的奇迹，韦伯太空望远镜也名列在榜。

从哈勃望远镜到韦伯望远镜

地球轨道上的哈勃空间望远镜的设计目的，是让我们在观察遥远的星系、恒星和大多数行星时能有更清晰的视野，人类观测到的宇宙最古老星系GN-z11就是由哈勃望远镜拍摄到的。

哈勃望远镜对天文学的各个领域——从太阳系到宇宙边缘的天体，都产生了重大的影响。其观测结果也为数万篇科技论文提供了数据支撑。

正是基于哈勃望远镜的观测，天体物理学家们才得以首次证实宇宙膨胀的速度比以往更快。这一获得诺贝尔奖的发现让每个人都仔细思考宇宙中的物体是如何演化的，以及它们的年龄有几何。最终，它可能有助于我们更好地理解宇宙的命运。并且，哈勃望远镜更为精确地估算了宇宙的年龄约在130亿到140亿岁之间；并帮助科学家了解了行星的成因，由此证实了行星普遍存在于宇宙中的假设；此外，哈勃望远镜还帮助人们寻找类地行星。

但随着哈勃望远镜的老旧，空间光学却发展到了更高水平的图像遥测，人们需要更加精密的太空望远镜来继任哈勃望远镜。韦伯太空望远镜就是这个继任者。

韦伯太空望远镜的设计与制作是对哈勃望远镜的一次巨大升级。哈勃望远镜是可观测到紫外线的光学摄影望远镜，也就是说，它捕获的是宇宙中可见的影像；而韦伯望远镜是红外望远镜，且镜面比哈勃望远镜要大很多，这意味着，韦伯望远镜更容易收集光线，可以追溯到更远的时间、收集更多天体的图像。

此外，为了能够看得更远，韦伯的主镜比哈勃要大近3倍。韦伯望远镜将使用的主镜直径为6.5米，是有史以来送入太空最大的望远镜。事实上，正因为它直径很大，必须通过折叠的方式才能放进火箭发射仓中，在太空中打开需要两周时间，就像把做好的折纸一步步还原。韦伯的主镜由18块1.3米的六边形镜片组成，主镜的品控要求极高，每面主镜可以允许的最大误差仅为25纳米。

韦伯项目还诞生了一些独特的工业技术，比如它的遮阳板，这种柔软、轻薄、不漏光且能抵御两侧200多度温差的材料，首次因韦伯而制造。为了避免自身辐射产生的红外光子造成的干扰，以及保护它不受太阳光的照射，韦伯望远镜携带了五层轻薄的聚酰亚胺遮阳板。

韦伯望远镜比较特别的是它的轨道。它不是像“哈勃”那样绕着地球转圈，而是被发射到离地球150万千米的第二拉格朗日点——这是引力和轨道力学的奇妙巧合点。在这个拉格朗日点上，太阳和地球引力的平衡正好有利于望远镜沿既定的轨道运转。同时，韦伯空间望远镜和地球的距离很远，而且距离几乎保持不变，所以可以用一面简单的多层太阳挡光板来避开太阳、地球和月球的强光，以降低望远镜本体的温度。

可以说，韦伯望远镜是人类迄今为止制造的最大、最复杂、最强劲、最具有想象力的太空望远镜。现在，我们只需要登陆美国国家航空航天局（NASA）官网，就可以观赏来自46亿光年以外的绝美星系。

韦伯望远镜的红外观察

今天，我们已经知道，宇宙在膨胀，那些最早期诞生的恒星和星系正飞快地远离地球，来自最遥远、最早的星系和恒星的光，曾经是紫外线和可见光，现在是肉眼看不见的红外“热”辐射。来自二氧化碳、氧和其它分子的特征辐射也是如此，这种现象在学界被称为“红移现象”。

韦伯空间望远镜就是为了看见这一部分的波段而诞生的，哈勃望远镜可以看到波长范围在200纳米到2.4微米之间的光，而韦伯的波长范围则在600纳米到28微米之间，涵盖了可见光到中红外光——看见哈勃望远镜看不到的，也正是韦伯望远镜做出的升级。

根据设计，韦伯能够“看到”早期宇宙中形成的第一批恒星和星系，可以探测到比不借助望远镜可见的最暗恒星还要暗100亿倍的物体，或者比哈勃望远镜所能观测到的物体暗10到100倍的目标。

韦伯配备了4种仪器帮助其进行观测，包括近红外摄像机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）以及精细制导传感器/近红外成像仪和无缝光谱仪（FGS-NIRISS）。借助这些工具，韦伯“可以开展被称为成像光谱学的工作”，“不仅拍摄一张照片，还能捕捉其中的一个光谱和照片的每一个像素。”在成像光谱学中，图像的每一小片中都包含了波长光谱信息。这有助于向科学家提供该光谱是由哪些元素或化学物质产生而来的线索。

韦伯望远镜拍摄的第一张正式照片，也成为了迄今为止人类拍摄到的最遥远、最清晰的宇宙红外图像。这张照片是韦伯望远镜利用近红外相机，合计曝光12.5个小时在不同波段拍摄并合成的图像。这张图片显示了46亿年前出现的星系团SMACS 0723。这个星系团就像一个引力透镜，放大了它后面更遥远的星系。

长时间的曝光揭示了数千个星系，其中许多星系的光太微弱，是之前的哈勃无法探测到的。而通过韦伯望远镜的观测数据，天文学家就可以了解、分析这些星系的质量、存在年限、演化历程等。基于韦伯望远镜的特殊贡献，《科学》杂志将韦伯列为 2022 年的科学突破。

《科学》杂志的编辑在一份声明中写道：“在'韦伯望远镜’于2022年 6月下旬上线的几天内，研究人员开始发现数千个比以前记录的任何星系都更遥远、更古老的新星系——其中一些可能比哈勃望远镜发现的最古老的星系早1.5亿年以上。”《科学》杂志认为，“更重要的是，望远镜能够从天体中收集足够的光线——从诞生的恒星到系外行星——揭示它们是由什么组成的以及它们如何在太空中移动，这些数据已经开始非常详细地揭示距离地球数百光年的行星的大气成分，为它们可能支持我们所知道的生命的能力提供了暗示。”

从韦伯太空望远镜与哈勃望远镜拍摄的照片对比来看，韦伯太空望远镜为我们呈现了一个更加清晰、色彩更加绚烂的太空画面，让我们对太空世界的幻想有了更实在的想象基调。人类与宇宙的距离十分遥远，但太空望远镜作为安置在太空的“眼睛”，正在帮助人类实现更深入的宇宙探索。

宇宙起源的真相

自古即今，对宇宙起源真相的好奇一直推动着人类向深空进行探索。

1924年，天文学家埃德温·哈勃用造父变星法测得仙女座大星云和M33距离我们的距离达到93万光年，远超银河系的范围，从而证明它们是银河系之外的其他星系。随后，哈勃通过观测来自河外星系的光的波长变化，发现所有的河外星系似乎都在远离我们（“红移”），进而提出了宇宙膨胀的概念。

通过更多的观测，哈勃发现，这些河外星系的运动与距离存在一定的规律：离我们越远的星系，它远离我们的速度就越大。因为单位空间的膨胀速率是一样的，但天体之间分离得越远，它们之间就有更多的空间参与膨胀，因此就具有更高的速度。基于此，哈勃将这一原理反向演绎，既然更远的距离意味着更高的速度，那么更高的速度当然也代表着更远的距离。哈勃计算出每百万光年的平均膨胀速率，并向人们展示如何根据星系退行的速度估算它的距离。

后续的研究证实了宇宙加速膨胀的现象，而宇宙加速膨胀现象的发现，意味着宇宙中存在一种“未知的斥力”，它在大尺度上抵消甚至战胜了引力带来的坍塌，进而导致了宇宙的加速膨胀，科学界将“未知的斥力”命名为“暗能量”。

2013年，欧航局普朗克卫星给出了宇宙质能分布图，其中暗能量占比68.3%，暗物质占比26.8%，普通物质占比4.9%。这样的质能分布数据表明，人类目前看到的宇宙只是“全宇宙”的4.9%，剩下的绝大部分都是暗物质和暗能量，而人类科学家对它们几近一无所知。

虽然人类对暗物质和暗能量了解极少，但暗物质和暗能量却对宇宙的终极结局有不可估量的重要影响。如果暗能量的占比没有错误，而且的确能加速宇宙膨胀的话，宇宙中普通物质的密度，就会因为宇宙加速膨胀而不断降低。在这种情况下，宇宙会面临令人绝望的命运——大撕裂。

目前，暗能量只在几十亿光年内为人所知，但随着空间膨胀和暗能量效应的增强，最终，维系宇宙的力量会渐渐减弱。星系团会首先感受到变化，最终完全解体。接下来，星系也将由于内部引力减弱而解体，恒星在星系空间中孤独地流浪。直到物质在亚原子层面被撕成碎片，一切都将消失殆尽。

而越来越高精的太空望远镜正是探索宇宙奥秘的重要工具，韦伯望远镜的意义正在于此，红外天文可以帮助人类看到更远、更暗、更年老的星系，对于研究广袤深空中各类星系的形成和演化以及整个宇宙的历史都极为重要。就像NASA官网上所写的一样，“一个全新的红外宇宙正在缓缓摘下它的神秘面纱。”韦伯望远镜将带领天文学家重新去认识和理解更远的星系、宇宙的边界、宇宙的过去，有希望解开暗物质、暗能量等宇宙深处最黑暗的谜团以及更多未知的秘密。

从人类第一次仰望星空开始，天文学历经千万年的时间来到今天，我们终于能够把恒星演化的故事片段拼凑起来，能够绘制宇宙大爆炸的余波、理解恒星诞生和消亡背后的过程，甚至一窥宇宙中最黑暗的真相。