陳根：韋伯望遠鏡升空一周年，打開宇宙觀察新視角

圖檔來源@視覺中國

文 | 根新未來，作者 | 陳根

太空中充滿了運動。在宇宙中，太陽每秒會減少400萬噸的品質，同時約有4800顆新恒星誕生，約有10顆恒星爆炸形成黑洞或中子星。外緣處，宇宙持續膨脹了9億年。我們今天之是以能觀察到太陽的運動，而不是像過去幾個世紀的天文學家隻能看到遙遠的物體懸挂在黑色的天空上一樣，是因為我們借助了超級望遠鏡，這讓宇宙的奇觀生動地展現出來。

地球軌道上的哈勃空間望遠鏡的誕生曾揭示了許多有關宇宙的奇妙資訊，自哈勃空間望遠鏡之後，美國、歐洲和加拿大又合作成功将詹姆斯·韋伯太空望遠鏡送上太空。作為哈勃望遠鏡的繼任者，韋伯太空望遠鏡被天文學家寄予希望去探測更多有關宇宙起源的奧秘。在《麻省理工科技評論》最新的 2023 年“十大突破性技術”榜單中，作為作為精密工程的奇迹，韋伯太空望遠鏡也名列在榜。

從哈勃望遠鏡到韋伯望遠鏡

地球軌道上的哈勃空間望遠鏡的設計目的，是讓我們在觀察遙遠的星系、恒星和大多數行星時能有更清晰的視野，人類觀測到的宇宙最古老星系GN-z11就是由哈勃望遠鏡拍攝到的。

哈勃望遠鏡對天文學的各個領域——從太陽系到宇宙邊緣的天體，都産生了重大的影響。其觀測結果也為數萬篇科技論文提供了資料支撐。

正是基于哈勃望遠鏡的觀測，天體實體學家們才得以首次證明宇宙膨脹的速度比以往更快。這一獲得諾貝爾獎的發現讓每個人都仔細思考宇宙中的物體是如何演化的，以及它們的年齡有幾何。最終，它可能有助于我們更好地了解宇宙的命運。并且，哈勃望遠鏡更為精确地估算了宇宙的年齡約在130億到140億歲之間；并幫助科學家了解了行星的成因，由此證明了行星普遍存在于宇宙中的假設；此外，哈勃望遠鏡還幫助人們尋找類地行星。

但随着哈勃望遠鏡的老舊，空間光學卻發展到了更高水準的圖像遙測，人們需要更加精密的太空望遠鏡來繼任哈勃望遠鏡。韋伯太空望遠鏡就是這個繼任者。

韋伯太空望遠鏡的設計與制作是對哈勃望遠鏡的一次巨大更新。哈勃望遠鏡是可觀測到紫外線的光學攝影望遠鏡，也就是說，它捕獲的是宇宙中可見的影像；而韋伯望遠鏡是紅外望遠鏡，且鏡面比哈勃望遠鏡要大很多，這意味着，韋伯望遠鏡更容易收集光線，可以追溯到更遠的時間、收集更多天體的圖像。

此外，為了能夠看得更遠，韋伯的主鏡比哈勃要大近3倍。韋伯望遠鏡将使用的主鏡直徑為6.5米，是有史以來送入太空最大的望遠鏡。事實上，正因為它直徑很大，必須通過折疊的方式才能放進火箭發射倉中，在太空中打開需要兩周時間，就像把做好的折紙一步步還原。韋伯的主鏡由18塊1.3米的六邊形鏡片組成，主鏡的品控要求極高，每面主鏡可以允許的最大誤差僅為25納米。

韋伯項目還誕生了一些獨特的工業技術，比如它的遮陽闆，這種柔軟、輕薄、不漏光且能抵禦兩側200多度溫差的材料，首次因韋伯而制造。為了避免自身輻射産生的紅外光子造成的幹擾，以及保護它不受太陽光的照射，韋伯望遠鏡攜帶了五層輕薄的聚酰亞胺遮陽闆。

韋伯望遠鏡比較特别的是它的軌道。它不是像“哈勃”那樣繞着地球轉圈，而是被發射到離地球150萬千米的第二拉格朗日點——這是引力和軌道力學的奇妙巧合點。在這個拉格朗日點上，太陽和地球引力的平衡正好有利于望遠鏡沿既定的軌道運轉。同時，韋伯空間望遠鏡和地球的距離很遠，而且距離幾乎保持不變，是以可以用一面簡單的多層太陽擋光闆來避開太陽、地球和月球的強光，以降低望遠鏡本體的溫度。

可以說，韋伯望遠鏡是人類迄今為止制造的最大、最複雜、最強勁、最具有想象力的太空望遠鏡。現在，我們隻需要登陸美國國家航空航天局（NASA）官網，就可以觀賞來自46億光年以外的絕美星系。

韋伯望遠鏡的紅外觀察

今天，我們已經知道，宇宙在膨脹，那些最早期誕生的恒星和星系正飛快地遠離地球，來自最遙遠、最早的星系和恒星的光，曾經是紫外線和可見光，現在是肉眼看不見的紅外“熱”輻射。來自二氧化碳、氧和其它分子的特征輻射也是如此，這種現象在學界被稱為“紅移現象”。

韋伯空間望遠鏡就是為了看見這一部分的波段而誕生的，哈勃望遠鏡可以看到波長範圍在200納米到2.4微米之間的光，而韋伯的波長範圍則在600納米到28微米之間，涵蓋了可見光到中紅外光——看見哈勃望遠鏡看不到的，也正是韋伯望遠鏡做出的更新。

根據設計，韋伯能夠“看到”早期宇宙中形成的第一批恒星和星系，可以探測到比不借助望遠鏡可見的最暗恒星還要暗100億倍的物體，或者比哈勃望遠鏡所能觀測到的物體暗10到100倍的目标。

韋伯配備了4種儀器幫助其進行觀測，包括近紅外錄影機（NIRCam）、近紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）以及精細制導傳感器/近紅外成像儀和無縫光譜儀（FGS-NIRISS）。借助這些工具，韋伯“可以開展被稱為成像光譜學的工作”，“不僅拍攝一張照片，還能捕捉其中的一個光譜和照片的每一個像素。”在成像光譜學中，圖像的每一小片中都包含了波長光譜資訊。這有助于向科學家提供該光譜是由哪些元素或化學物質産生而來的線索。

韋伯望遠鏡拍攝的第一張正式照片，也成為了迄今為止人類拍攝到的最遙遠、最清晰的宇宙紅外圖像。這張照片是韋伯望遠鏡利用近紅外相機，合計曝光12.5個小時在不同波段拍攝并合成的圖像。這張圖檔顯示了46億年前出現的星系團SMACS 0723。這個星系團就像一個引力透鏡，放大了它後面更遙遠的星系。

長時間的曝光揭示了數千個星系，其中許多星系的光太微弱，是之前的哈勃無法探測到的。而通過韋伯望遠鏡的觀測資料，天文學家就可以了解、分析這些星系的品質、存在年限、演化曆程等。基于韋伯望遠鏡的特殊貢獻，《科學》雜志将韋伯列為 2022 年的科學突破。

《科學》雜志的編輯在一份聲明中寫道：“在‘韋伯望遠鏡’于2022年 6月下旬上線的幾天内，研究人員開始發現數千個比以前記錄的任何星系都更遙遠、更古老的新星系——其中一些可能比哈勃望遠鏡發現的最古老的星系早1.5億年以上。”《科學》雜志認為，“更重要的是，望遠鏡能夠從天體中收集足夠的光線——從誕生的恒星到系外行星——揭示它們是由什麼組成的以及它們如何在太空中移動，這些資料已經開始非常詳細地揭示距離地球數百光年的行星的大氣成分，為它們可能支援我們所知道的生命的能力提供了暗示。”

從韋伯太空望遠鏡與哈勃望遠鏡拍攝的照片對比來看，韋伯太空望遠鏡為我們呈現了一個更加清晰、色彩更加絢爛的太空畫面，讓我們對太空世界的幻想有了更實在的想象基調。人類與宇宙的距離十分遙遠，但太空望遠鏡作為安置在太空的“眼睛”，正在幫助人類實作更深入的宇宙探索。

宇宙起源的真相

自古即今，對宇宙起源真相的好奇一直推動着人類向深空進行探索。

1924年，天文學家埃德溫·哈勃用造父變星法測得仙女座大星雲和M33距離我們的距離達到93萬光年，遠超銀河系的範圍，進而證明它們是銀河系之外的其他星系。随後，哈勃通過觀測來自河外星系的光的波長變化，發現所有的河外星系似乎都在遠離我們（“紅移”），進而提出了宇宙膨脹的概念。

通過更多的觀測，哈勃發現，這些河外星系的運動與距離存在一定的規律：離我們越遠的星系，它遠離我們的速度就越大。因為機關空間的膨脹速率是一樣的，但天體之間分離得越遠，它們之間就有更多的空間參與膨脹，是以就具有更高的速度。基于此，哈勃将這一原理反向演繹，既然更遠的距離意味着更高的速度，那麼更高的速度當然也代表着更遠的距離。哈勃計算出每百萬光年的平均膨脹速率，并向人們展示如何根據星系退行的速度估算它的距離。

後續的研究證明了宇宙加速膨脹的現象，而宇宙加速膨脹現象的發現，意味着宇宙中存在一種“未知的斥力”，它在大尺度上抵消甚至戰勝了引力帶來的坍塌，進而導緻了宇宙的加速膨脹，科學界将“未知的斥力”命名為“暗能量”。

2013年，歐航局普朗克衛星給出了宇宙質能分布圖，其中暗能量占比68.3%，暗物質占比26.8%，普通物質占比4.9%。這樣的質能分布資料表明，人類目前看到的宇宙隻是“全宇宙”的4.9%，剩下的絕大部分都是暗物質和暗能量，而人類科學家對它們幾近一無所知。

雖然人類對暗物質和暗能量了解極少，但暗物質和暗能量卻對宇宙的終極結局有不可估量的重要影響。如果暗能量的占比沒有錯誤，而且的确能加速宇宙膨脹的話，宇宙中普通物質的密度，就會因為宇宙加速膨脹而不斷降低。在這種情況下，宇宙會面臨令人絕望的命運——大撕裂。

目前，暗能量隻在幾十億光年内為人所知，但随着空間膨脹和暗能量效應的增強，最終，維系宇宙的力量會漸漸減弱。星系團會首先感受到變化，最終完全解體。接下來，星系也将由于内部引力減弱而解體，恒星在星系空間中孤獨地流浪。直到物質在亞原子層面被撕成碎片，一切都将消失殆盡。

而越來越高精的太空望遠鏡正是探索宇宙奧秘的重要工具，韋伯望遠鏡的意義正在于此，紅外天文可以幫助人類看到更遠、更暗、更年老的星系，對于研究廣袤深空中各類星系的形成和演化以及整個宇宙的曆史都極為重要。就像NASA官網上所寫的一樣，“一個全新的紅外宇宙正在緩緩摘下它的神秘面紗。”韋伯望遠鏡将帶領天文學家重新去認識和了解更遠的星系、宇宙的邊界、宇宙的過去，有希望解開暗物質、暗能量等宇宙深處最黑暗的謎團以及更多未知的秘密。

從人類第一次仰望星空開始，天文學曆經千萬年的時間來到今天，我們終于能夠把恒星演化的劇情片段拼湊起來，能夠繪制宇宙大爆炸的餘波、了解恒星誕生和消亡背後的過程，甚至一窺宇宙中最黑暗的真相。