黃金沖浪者詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡等待升空

編譯 喬琦

新空間望遠(yuǎn)鏡的籌建需要大量的時間、資金和人力。其實(shí)，早在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡于1990年升空入軌之前，天文學(xué)家就開始督促美國宇航局（NASA）把哈勃繼任者的規(guī)劃提到議事日程上來了。那個時候，他們認(rèn)為，這架全新的空間望遠(yuǎn)鏡耗資不可能超過10億美元，并且能在21世紀(jì)的頭十年就準(zhǔn)備妥當(dāng)。

如今，30年過去了，在歷經(jīng)多場事故、預(yù)算危機(jī)以及國會方面的項(xiàng)目取消風(fēng)波后，總耗資已達(dá)88億美元的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于萬事俱備了。按照美國宇航局現(xiàn)在的計(jì)劃，這架望遠(yuǎn)鏡最早將于2021年10月31日搭載歐洲空間局的阿麗亞娜5型火箭，從法屬圭亞那的一個基地發(fā)射入軌。

最近，在美國天文學(xué)會的一次會議上，技術(shù)員和工程師展示了完整的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡，但愿這是它在地面上與人類相伴的最后時光。

加利福尼亞雷東多比奇諾斯洛普·格魯門公司的設(shè)備工廠里，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的遮陽板正在接受最終測試

“望遠(yuǎn)鏡下一次以這種方式呈現(xiàn)的時候，” NASA詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目科學(xué)家埃里克·史密斯（Eric Smith）說，“它就在月亮軌道之外了。到那個時候，它在地球上的我們看來，就是一個亮度大概為17等的點(diǎn)源。”

望遠(yuǎn)鏡完全在洛杉磯諾斯洛普·格魯門公司的潔凈室里組裝完成。美國天文學(xué)會的這次會議是一次虛擬大會，從會上展示的畫面來看，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡就像一朵騎在沖浪板上的巨大向日葵。這朵向日葵的花瓣由18片鍍金六邊形金屬鈹構(gòu)成，它們連接在一起，形成了一個直徑超過20英尺的大盤子。那塊未來將會永遠(yuǎn)飄在月球軌道之外的沖浪板則由5層叫作卡普頓的塑料構(gòu)成，它們是望遠(yuǎn)鏡的遮陽板，能夠保護(hù)后者免受太陽熱量和太陽光的破壞。

這架全新的空間望遠(yuǎn)鏡得名于美國宇航局前局長詹姆斯·韋布（James Webb），正是他領(lǐng)導(dǎo)了大名鼎鼎的阿波羅計(jì)劃。詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡比聞名遐邇的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡大了差不多3倍，分辨宇宙盡頭昏暗星系和恒星的能力增強(qiáng)了7倍。

為了能搭載歐洲空間局的阿麗亞娜5型火箭進(jìn)入太空，望遠(yuǎn)鏡的遮陽板和主鏡都會先折疊起來，然后再于發(fā)射升空后的第一個月內(nèi)在距我們100萬英里之遙的地方，通過總共約180步的操作展開。在過去的幾年里，相關(guān)人員反復(fù)操練了整個流程中的每一步。

在項(xiàng)目早期的一次演練中，遮陽板壞了，耽擱了計(jì)劃進(jìn)度。當(dāng)然，這只是韋布空間望遠(yuǎn)鏡無數(shù)次延期中的一次而已。

工程師們認(rèn)為，他們現(xiàn)在已經(jīng)搞定了這個問題，但一談起望遠(yuǎn)鏡將來要在外太空展開并接受相關(guān)測試，他們?nèi)耘f把這段時光看作長達(dá)6個月的恐怖期。此外，史密斯博士說，卡普頓上還有幾個半英寸長度的小裂縫需要修補(bǔ)。

韋布望遠(yuǎn)鏡的主要任務(wù)是探索哈勃無法企及的宇宙歷史。從宇宙擁有時間這個概念算起，大約過了1.5億～10億年之后，第一批恒星和星系誕生了，它們開始在大爆炸末期充斥著的昏暗氫氣霧中熊熊燃燒。然而，這一切究竟是怎么發(fā)生的？我們目前還沒有答案。

要想完成這項(xiàng)任務(wù)，韋布望遠(yuǎn)鏡就必須把工作波段調(diào)到人眼和哈勃望遠(yuǎn)鏡看不到的那些光上去。由于宇宙膨脹會不斷推動那些最早形成的星系和恒星以越來越快的速度遠(yuǎn)離我們，它們發(fā)出的光就會紅移到更長的波長。救護(hù)車飛馳而過時，警笛聲會隨著它的遠(yuǎn)去而變得越發(fā)低沉，這個現(xiàn)象就和天體的紅移很是類似。

因此，早期星系發(fā)出的藍(lán)光——那是新生恒星的搖籃——經(jīng)歷了130億年最終到達(dá)地球時會拉長成我們看不到的紅外波段的光，也即熱輻射。

也就是說，韋布望遠(yuǎn)鏡將會通過我們?nèi)搜劭床坏降挠钪婷餍牌玫侥切┻b遠(yuǎn)星系的信息。不過，要想探測到那些微弱的熱輻射，望遠(yuǎn)鏡本身的溫度必須保持在極低的狀態(tài)——不能超過45K（-228℃），——這樣才能保證它自身散發(fā)的熱量不會掩蓋住來自外太空的微弱熱輻射。遮陽板的作用就在這里，它能讓望遠(yuǎn)鏡始終處于低溫狀態(tài)。

事實(shí)證明，紅外波段同樣也是研究系外行星（屬于其他恒星的世界）的理想窗口。1996年，卡內(nèi)基天文臺阿蘭·德雷斯勒（Alan Dressler）領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一份名為《哈勃空間望遠(yuǎn)鏡及其他，探索、搜尋宇宙的起源：紫外-可見光-紅外空間天文學(xué)展望》的重要報告，支持通過紅外波段研究系外行星的方法。

這個團(tuán)隊(duì)極有遠(yuǎn)見。他們發(fā)布這份報告的時候，我們只認(rèn)證了三個系外行星，但在那之后的幾十年里，也就是在韋布望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目步履蹣跚之時，系外行星領(lǐng)域的研究蓬勃發(fā)展。美國宇航局的開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了成千上萬個系外行星，這就意味著可能有多達(dá)數(shù)億個系外世界可供天文學(xué)家和韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測。

實(shí)際上，在系外行星領(lǐng)域，韋布空間望遠(yuǎn)鏡最值得期待的早期成果之一就是距地球僅40光年之遙的“特拉比斯特-1”系統(tǒng)（Trappist-1）中的行星。這個系統(tǒng)總共包含7顆行星，其中有3顆是地球大小的巖石行星，且位于所謂的宜居帶（可能存在水）中。韋布空間望遠(yuǎn)鏡可以做的研究有很多，其中之一就是通過觀測這些行星和它們所屬恒星發(fā)出的星光之間的作用方式得到它們的大氣組成——要想確定這些潛在的宜居行星究竟是否宜居（甚至是否已有生物在上面棲息），探明其大氣組成是必不可少的第一步。

韋布望遠(yuǎn)鏡的航天器部分—組裝起來的遮陽板和航天器總線—正在諾斯洛普·格魯門公司接受聲波測試

在對望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)備展開環(huán)境測試期間，工程師伊林·威爾遜給電纜纏上了鋁帶，以防電纜受凍后產(chǎn)生故障

讓望遠(yuǎn)鏡落到環(huán)境測試設(shè)備上。韋布空間望遠(yuǎn)鏡實(shí)在是太大了，必須折疊起來才能裝到搭載的阿麗亞娜5型火箭上

年輕的天文學(xué)領(lǐng)域

在納撒尼爾·卡恩（Nathaniel Kahn）導(dǎo)演的新紀(jì)錄片電影《尋找B行星》（The Hunt for Planet B）中，韋布望遠(yuǎn)鏡對地外生命的搜尋是重頭戲。多少有些令卡恩先生意外的是，這部于三月西南偏南電影節(jié)上首映的電影其實(shí)也記錄了天文學(xué)中的一場社會革命——也即系外行星研究領(lǐng)域的許多領(lǐng)導(dǎo)者都是女性。

其中的代表人物比如：地外文明搜尋研究所的吉爾·塔特（Jill Tarter），她是尋找地外文明的先驅(qū)；加州大學(xué)圣克魯茲分校的娜塔莉·巴塔拉（Natalie Batalha），她是開普勒項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)人之一，現(xiàn)在正籌劃韋布望遠(yuǎn)鏡的觀測計(jì)劃；威斯康星大學(xué)的瑪格麗特·特恩布爾（Margaret Turnbull），她是宜居行星方面的專家，之前甚至是威斯康星州州長候選人，卡恩先生曾在她照料后院中的蜂房時采訪過她；諾斯洛普公司的工程師艾米·洛（Amy Lo），她的主要工作是把韋布望遠(yuǎn)鏡的所有部件整合到一起，業(yè)余時間會用來設(shè)計(jì)賽車。

“我怎么想并不重要，”塔特博士在被卡恩先生問及對宇宙生命的看法時說，這個領(lǐng)域目前還沒有絕對權(quán)威，更沒有牧師，“在這個問題上，我們不是在討論宗教，我們研究的是科學(xué)?！?/p>

卡恩先生曾憑借他導(dǎo)演的電影《我的建筑師》（My Architect）和《兩只手：萊昂·弗萊舍的故事》（Two Hands:The Leon Fleisher Story）獲得奧斯卡獎提名，前者講述的是卡恩的父親建筑師路易斯·卡恩（Louis Kahn）的故事，后者的主人公則是一位因?yàn)樯窠?jīng)疾病而失去了一只手的鋼琴家。卡恩一直是個天文迷，他原本打算拍攝一部關(guān)于建造望遠(yuǎn)鏡的電影，但他在接受采訪時表示，拍電影的一大樂趣就是：“你本來想拍的某個主題，就比如說韋布空間望遠(yuǎn)鏡，會自然而然地演變成一個更為深刻的故事，比如女性在天文學(xué)前沿領(lǐng)域中大展拳腳。”

麻省理工學(xué)院行星專家薩拉·西格爾（Sara Seager）的故事成了卡恩影片主要敘事框架的重要組成部分，她稱，女性在這個領(lǐng)域異軍突起完全合理?！暗赝庑行鞘且粋€全新的領(lǐng)域，從定義上說，這個領(lǐng)域就不可能由那些老男人們統(tǒng)治，”西格爾在接受《紐約時報》采訪時說，“實(shí)際上，年齡較大的科學(xué)家不太愿意突然躍入這樣一種看似頗有風(fēng)險的全新領(lǐng)域，于是，就很少有人（甚至可以說完全沒有）會把對女性的偏見帶到這個領(lǐng)域中來?！?/p>

地外文明搜尋研究所的吉爾·塔特

諾斯洛普公司的工程師艾米·洛

瑪格麗特·特恩布爾在《尋找B行星》中的劇照

加州大學(xué)圣克魯茲分校的娜塔莉·巴塔拉

西格爾博士回憶說，她第一次參加宇宙學(xué)會議時震驚地發(fā)現(xiàn)，幾乎所有發(fā)言者都是頭發(fā)或灰或白的男性?！坝钪鎸W(xué)研究領(lǐng)域的環(huán)境就是不適合新人加入，”她說，“但在系外行星的分會場上，所有發(fā)言人都不超過40歲，并且大多數(shù)都在30歲以下?！?/p>

巴塔拉博士則稱，系外行星領(lǐng)域最初也是由男性領(lǐng)導(dǎo)的，比如日內(nèi)瓦天文臺的米歇爾·邁耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz），他倆因發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星而同菲利普·皮布爾斯（Phillip Peebles）分享了2019年的諾貝爾物理學(xué)獎。此外還有NASA埃姆斯研究中心的威廉·伯魯奇（William Borucki），他構(gòu)思并領(lǐng)導(dǎo)了開普勒項(xiàng)目。不過，自他們之后，女性在這個領(lǐng)域異軍突起、大步前進(jìn)。

“與系外行星科學(xué)領(lǐng)域的資深女性們對話，你就會發(fā)現(xiàn)我們所有人的故事都不盡相同，”巴塔拉博士稱，“我們憑借各自的優(yōu)勢在這個行當(dāng)中生存下來，也因?yàn)楦髯缘脑蛄粼谶@個領(lǐng)域中。另外，既然現(xiàn)在我們已經(jīng)打下了這樣的基礎(chǔ)，那么或許能為其他年輕女性追尋這項(xiàng)事業(yè)提供些許便利。”

朝著過去前進(jìn)

根據(jù)空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所克里斯汀·陳（Christine Chen）在韋布望遠(yuǎn)鏡展示和講述會上提供的數(shù)據(jù)，截至目前，已有來自全球44個國家、美國45個州再加上哥倫比亞特區(qū)和維京群島的4 332名天文學(xué)家提交了計(jì)劃，競爭參與韋布空間望遠(yuǎn)鏡的第一輪觀測。其中，大約有31.5%的研究者是女性，這也與近期天文學(xué)博士學(xué)位有1/3授予女性的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)大致相符。

“我們這個項(xiàng)目，天生就具備多樣性。”韋布望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目負(fù)責(zé)人史密斯博士在最近的展示和講述會上說。

他還補(bǔ)充道：“作為科學(xué)家，我們還知道，宇宙很少通過符合我們現(xiàn)有理論或模型的數(shù)據(jù)展示自己的本來面目。相反，正是那些出乎我們意料的數(shù)據(jù)讓我們一步步地接近了宇宙真相。因此，正如我們知道必須拋棄先入為主的概念理解新數(shù)據(jù)那樣，要想更好地認(rèn)識宇宙，我們在構(gòu)思和實(shí)施項(xiàng)目時就必須力求囊括盡可能多的不同視角。”

2006年，搭載著衛(wèi)星的一枚阿麗亞娜5型火箭在法屬圭亞那庫魯發(fā)射升空

韋布空間望遠(yuǎn)鏡在秋天的發(fā)射升空將是今年空間科學(xué)的大事件之一。此外還有下一次火星探測行動。按照計(jì)劃，今年冬天，最新一批探測艦隊(duì)就將登陸這顆紅色星球。

如果能繼續(xù)保持這個節(jié)奏，那么我們或許就能在接下去的50年中知曉生命是否以某種形式生存在附近的宇宙空間之中，無論它們是隱藏在巨行星衛(wèi)星的冰層之下，棲息在火星的巖層深處，還是生活在某種外星沼澤的酷熱之中。這方面的任何線索都將是我們朝著認(rèn)識自身起源這個目標(biāo)邁出的一大步。

正如德雷斯勒博士和共同作者在他們1996年的報告中寫到的那樣：“20世紀(jì)天文學(xué)的一項(xiàng)重大勝利是證明了這樣一個概念為真，我們的起源——或許也是我們的命運(yùn)——就潛藏在恒星的背后?！彼麄冞€寫道：“關(guān)于人類存在的宏大主題正越來越多地投射到太空中?！边@顯然是暗指電影、電視劇和圖書中相關(guān)主題科幻小說的流行。

“我們要想在物理層面上進(jìn)入廣袤的宇宙，或許還需要未來數(shù)代人的努力，”德雷斯勒博士等人總結(jié)說：“但我們的思想已經(jīng)生活在了宇宙時代。”

資料來源 The New York Times