韋伯望遠(yuǎn)鏡，人類最貴的眼睛

向治霖

對(duì)天文行業(yè)以及它的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，在2021年的圣誕節(jié)這天，他們收到的最好的禮物，是韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。

“韋伯望遠(yuǎn)鏡”是個(gè)坊間稱呼，更專業(yè)的、由天文學(xué)名詞審定委員會(huì)審定采納的中文名，其實(shí)是“韋布空間望遠(yuǎn)鏡”。

據(jù)媒體報(bào)道，2021年12月25日，通過(guò)號(hào)稱是世界上最可靠的重型運(yùn)載火箭之一的Ariane 5，憑借法屬圭亞那庫(kù)魯航天中心低維度帶來(lái)的高自轉(zhuǎn)速度，韋伯望遠(yuǎn)鏡飛向了它的征程。

這是一趟令人期待的旅途。

上世紀(jì)90年代初，空間望遠(yuǎn)鏡中最具盛名的哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，在至今30年時(shí)間內(nèi)，它完成了近150萬(wàn)次對(duì)太空的科學(xué)觀察，展現(xiàn)了諸如類星體環(huán)境、遙遠(yuǎn)星云等人類此前從未目睹的景象。韋伯望遠(yuǎn)鏡，則被寄予了哈勃望遠(yuǎn)鏡“繼任者”的期望。

不過(guò)，它又與哈勃望遠(yuǎn)鏡截然不同。

2022年1月9日，天文學(xué)家通過(guò)控制釋放機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)50次主要部署，已經(jīng)將韋布空間望遠(yuǎn)鏡中、由18塊六邊形鏡片組成的主鏡完全打開(kāi)。它就像是一只眼睛，正在緩緩地張開(kāi)。

在預(yù)計(jì)半年時(shí)間的調(diào)整工作后，它將注目于廣袤蒼穹，望向那一片引得人類遐想了幾千年的無(wú)際宇宙。

更高更遠(yuǎn)

比起哈勃望遠(yuǎn)鏡，韋伯望遠(yuǎn)鏡最大的不同之處，在于其可觀測(cè)的無(wú)線電波長(zhǎng)。

哈勃望遠(yuǎn)鏡“雜而全”，可觀測(cè)的光譜，從紫外線、可見(jiàn)光，一直到紅外線以上。韋伯望遠(yuǎn)鏡“專而精”，僅僅可觀測(cè)紅外線頻段的無(wú)線電。

這不是缺陷，而是進(jìn)步。

為了更全面地理解這一次征途，我們不妨回顧“仰望星空”的歷史。

歷史上第一個(gè)使用望遠(yuǎn)鏡的人，據(jù)記載是伽利略。16世紀(jì)初，伽利略從荷蘭商人處得知，當(dāng)兩片凸透鏡貫在一起時(shí)，能夠望得更遠(yuǎn)。荷蘭商人并不知道其中價(jià)值，但伽利略立刻動(dòng)起手來(lái)，制作了最早的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)準(zhǔn)月亮。

由此，伽利略開(kāi)啟了現(xiàn)代天文學(xué)，在這一階段，望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)的只有可見(jiàn)光。

由伽利略到牛頓，是我們熟知的歷史，閑話少敘，讓我們直接進(jìn)入20世紀(jì)。

這一階段，天文觀測(cè)的手段進(jìn)步迅猛，在美國(guó)威爾遜山，有著當(dāng)時(shí)世界最大的反射望遠(yuǎn)鏡，口徑達(dá)到2.5米。

望遠(yuǎn)鏡的口徑，可以簡(jiǎn)單地理解為相機(jī)的光圈。我們知道，光圈越大，意味著接收更多的光，那么照片也就越明亮、清晰。望遠(yuǎn)鏡也是同理。

在普通人看來(lái)，望遠(yuǎn)鏡無(wú)非是“一飽眼福”的工具，口徑的大與小，無(wú)非是張望的距離遠(yuǎn)與近的差別。

不過(guò)，這對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，用途完全不同。他們通過(guò)望遠(yuǎn)鏡，測(cè)定星球的遠(yuǎn)近與位置，描繪出星空的三維地圖。

最早的測(cè)繪辦法，是三角測(cè)距，也就是所謂“視差法”。距離太陽(yáng)最近的比鄰星“半人馬α星”，就是通過(guò)視差法測(cè)得，這個(gè)距離是4.3光年。使用視差法，能夠測(cè)定500光年內(nèi)的空間距離，但對(duì)于更大的尺度，它就無(wú)能為力了。

但人類總想要望得更遠(yuǎn)。

視差法以外的空間尺度，后來(lái)被驗(yàn)證，可以用光度方法確定。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，恒星的視覺(jué)亮度、距離與本身的光度，三者存在特定的關(guān)系。視覺(jué)亮度可以在地球測(cè)得，只要再通過(guò)光譜分析，相對(duì)地測(cè)定恒星的亮度，我們就能夠算出距離。

以此，人類的眼界擴(kuò)展到10萬(wàn)光年的空間距離。

到現(xiàn)在為止，不難發(fā)現(xiàn)，我們?nèi)匀辉谝揽靠梢?jiàn)光觀測(cè)。不過(guò)，等到“光譜分析”出現(xiàn)在天文觀測(cè)的歷史舞臺(tái)，它將會(huì)大大拓展人類對(duì)星空的觀測(cè)邊界。

我們知道，光譜波長(zhǎng)的由短到長(zhǎng)，分別有伽馬射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光波、紅外線和無(wú)線電波，而在20世紀(jì)以前，我們所依靠的可見(jiàn)光波，只是天體發(fā)射的電磁波中極少的一部分。

那么，我們能不能捕捉到不可見(jiàn)的電磁波，從而觀測(cè)廣大尺度的天體呢？

上世紀(jì)90年代初，空間望遠(yuǎn)鏡中最具盛名的哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，在至今30年時(shí)間內(nèi)，它完成了近150萬(wàn)次對(duì)太空的科學(xué)觀察，展現(xiàn)了諸如類星體環(huán)境、遙遠(yuǎn)星云等人類此前從未目睹的景象。韋伯望遠(yuǎn)鏡，則被寄予了哈勃望遠(yuǎn)鏡“繼任者”的期望。

當(dāng)這一設(shè)想成功之時(shí)，天文觀測(cè)進(jìn)入了射電望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代。1924年，無(wú)線電行業(yè)的人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射電波的波長(zhǎng)小于40米時(shí)，電波就能夠穿過(guò)大氣層不被吸收。反過(guò)來(lái)同理，一部分電磁波能夠逃過(guò)大氣層中的電離層，被地面的人們捕捉。

捕捉宇宙電波進(jìn)行觀測(cè)的技術(shù)，在二戰(zhàn)之后成為天文學(xué)中最有活力的新領(lǐng)域。但是，在地面等候幸存的電波，就像是單靠運(yùn)氣的“守株待兔”，有沒(méi)有更好的辦法呢？沒(méi)錯(cuò)，你一定想到了，我們能夠?qū)⑸潆娡h(yuǎn)鏡送到大氣層的上空去。

繞過(guò)大氣層，直接在相對(duì)地球靜止的軌道上捕捉電波的望遠(yuǎn)鏡，就是空間望遠(yuǎn)鏡。

“前輩”哈勃

空間望遠(yuǎn)鏡的歷史，可以追溯至1946年天文學(xué)家萊曼·斯皮策的故事。

他在論文《在地球之外的天文觀測(cè)優(yōu)勢(shì)》中表示，在太空中的天文臺(tái)有兩項(xiàng)優(yōu)于地面天文臺(tái)的性能。首先，角分辨率（物體能被清楚分辨的最小分離角度）的極限將只受限于衍射，而不是由造成星光閃爍、動(dòng)蕩不安的大氣所造成的視象度。

在當(dāng)時(shí)，以地面為基地的望遠(yuǎn)鏡解析力只有0.5-1.0弧秒，相較下，只要口徑2.5米的望遠(yuǎn)鏡就能達(dá)到理論上衍射的極限值0.1弧秒。

其次就是上文提到的，在太空中的望遠(yuǎn)鏡，可以觀測(cè)被大氣層吸收殆盡的紅外線和紫外線。

半個(gè)世紀(jì)后的今天，韋伯望遠(yuǎn)鏡成功發(fā)射。

對(duì)此，天文愛(ài)好者們歡呼的同時(shí)，也無(wú)不戲謔地說(shuō)，“鴿子王”終于飛走了。這是因?yàn)椋f伯望遠(yuǎn)鏡最早預(yù)備在2010年前后發(fā)射，然而，相關(guān)進(jìn)展一拖再拖，晚了整整10年。

雖然韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射計(jì)劃常“放鴿子”，但它并不是“鴿子王”。它的前輩哈勃望遠(yuǎn)鏡，從立項(xiàng)到發(fā)射用了40多年，這才是拖延癥中的真正王者。

但這一切是值得的。1990年，哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，距離地面大約540公里高度。在大氣層之上，哈勃望遠(yuǎn)鏡用它直徑2.4米的鏡頭“深情凝視”遙遠(yuǎn)的宇宙，為我們揭開(kāi)了許多遙遠(yuǎn)星系的秘密。

我們現(xiàn)在知道的許多宇宙學(xué)奇觀，都是哈勃望遠(yuǎn)鏡帶來(lái)的。

例如“上帝之眼”，從圖片資料中看去，它是一個(gè)蔚藍(lán)色瞳孔與白眼球的四周透色的眼瞼，和眼睛很像。事實(shí)上，這是位于水瓶星座里的、編號(hào)為NGC7293的行星狀星云。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆滾燙的“橄欖球”狀系外行星。

再例如，通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡，人類第一次看見(jiàn)“瀕死”的行星。2019年8月，一顆滾燙的“橄欖球”狀系外行星被拍到。這顆行星因?yàn)榫嚯x恒星太近而被撕扯、加熱，大氣也正在加速逃逸，整顆行星處于被吞噬的邊緣。這個(gè)奇觀又被稱為“死亡擁抱”。

更重要的是，哈勃望遠(yuǎn)鏡拓展了我們對(duì)“時(shí)間”的視野，讓我們看見(jiàn)目前最古的宇宙樣貌。

2020年1月，一個(gè)國(guó)際天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了迄今已知的最遙遠(yuǎn)、最古老的星系群。這個(gè)三重星系群被稱為EGS77。觀測(cè)表明，這個(gè)三重星系群參與了宇宙初期被稱為“再電離”的改造過(guò)程。EGS77大約誕生于宇宙大爆炸后6.8億年時(shí)，當(dāng)時(shí)宇宙年齡還不足現(xiàn)今138億歲的5%。

哈勃望遠(yuǎn)鏡戰(zhàn)功赫赫，以上寫到的，不過(guò)是最被人熟知的幾個(gè)奇觀。

然而，不得不接受的是，航天器終究有報(bào)銷退役的一天。

2010年，哈勃望遠(yuǎn)鏡最后一次接受維護(hù)，在此之后，由于美國(guó)航天器的退役，以及對(duì)維護(hù)人員的安全考慮，它再也無(wú)法被修復(fù)。

如今又過(guò)了11年，據(jù)NASA消息，哈勃望遠(yuǎn)鏡上用于維持穩(wěn)定的6個(gè)陀螺儀壞了3個(gè)，整個(gè)機(jī)身“垂垂老矣”，它將隨時(shí)可能返回大氣層，從此退役。

還好，作為它的繼任者，韋伯望遠(yuǎn)鏡終于發(fā)射上崗了。

又一只“眼睛”

韋伯望遠(yuǎn)鏡，是哈勃的繼任者，也無(wú)疑是它的加強(qiáng)版。

按照傳統(tǒng)的性能參數(shù)，最基本的一項(xiàng)是，韋伯望遠(yuǎn)鏡的反射鏡面直徑達(dá)到了6.5米，更大的面積可以收集更多光線。這也意味著，它能看到更遠(yuǎn)、更暗淡的星光。

還記得嗎？韋伯望遠(yuǎn)鏡僅僅接收紅外線頻段，根據(jù)我們對(duì)電磁波的認(rèn)識(shí)，這意味著，它將看到更精密的、更古老的宇宙圖景。

如此一路看下來(lái)，20世紀(jì)至今，科技突飛猛進(jìn)。地面的科技“內(nèi)卷”不休，好在航天科技“初心不改”，沒(méi)有忘記去尋找星辰大海邊際的旅途。

這趟旅途的目的地，則是構(gòu)建完整的現(xiàn)代宇宙學(xué)。因而，在詳細(xì)介紹韋伯望遠(yuǎn)鏡之前，讓我們?cè)俅位氐?0世紀(jì)。

天文觀測(cè)這一領(lǐng)域，從最初就和宇宙學(xué)結(jié)緣。伽利略時(shí)代，通過(guò)手中小小的望遠(yuǎn)鏡，伽利略推翻了幾千年來(lái)“天圓地方”的宇宙構(gòu)想。20世紀(jì)，人們愈發(fā)認(rèn)識(shí)到，真正的宇宙似乎無(wú)邊無(wú)涯。

雖然韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射計(jì)劃常“放鴿子”，但它并不是“鴿子王”。它的前輩哈勃望遠(yuǎn)鏡，從立項(xiàng)到發(fā)射用了40多年，這才是拖延癥中的真正王者。

1912年，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗正在研究河外星系，發(fā)現(xiàn)它們的光譜線普遍存在著向紅端移動(dòng)的現(xiàn)象。隨著研究素材的積累，他得出結(jié)論，幾乎所有的河外星系，都有“紅移效應(yīng)”。根據(jù)多普勒效應(yīng)解釋，這些星系都在離地球遠(yuǎn)去。

1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)工作，提出了“哈勃定律”：星系的紅移量與它們離地球的距離成正比。形象地說(shuō)，宇宙就是一個(gè)膨脹的氣球，且越在外層的、膨脹速度越快。沒(méi)錯(cuò)，哈勃望遠(yuǎn)鏡所紀(jì)念的，就是這位提出了宇宙模型的科學(xué)家。

因?yàn)椤皻馇颉蹦Ｐ停钪鎻娜藗円詾榈摹叭f(wàn)古如長(zhǎng)夜”，變得熱鬧起來(lái)了。宇宙既然是越來(lái)越大的，那么，將時(shí)間往前推，它應(yīng)該越來(lái)越小。可是，證據(jù)在哪里？

證據(jù)就在無(wú)線電中。根據(jù)“大爆炸”學(xué)說(shuō)，宇宙不斷地膨脹，溫度不斷下降，各類元素開(kāi)始形成。但是，原初輻射與物質(zhì)元素脫離耦合后仍保持黑體譜。也就是說(shuō)，宇宙最初的那次爆炸，遺留下遍存于宇宙的碎片，它們表現(xiàn)為“宇宙微波背景輻射”。

研究“宇宙微波背景輻射”，正是韋伯望遠(yuǎn)鏡的最重要的任務(wù)。

據(jù)NASA消息，它將調(diào)查作為大爆炸理論的殘余紅外線證據(jù)（宇宙微波背景輻射），觀測(cè)今天可見(jiàn)宇宙的初期狀態(tài)。它能接收早期星系發(fā)射的紅外光，觀察135億年前宇宙大爆炸幾億年后形成的第一批恒星和星系。

這個(gè)項(xiàng)目本來(lái)啟動(dòng)于1996年，起初稱為“下一代空間望遠(yuǎn)鏡（Next Generation Space Telescope）”，2002年改為現(xiàn)名，以紀(jì)念美國(guó)國(guó)家航天局的次任局長(zhǎng)詹姆斯·韋布在阿波羅計(jì)劃中發(fā)揮的關(guān)鍵性領(lǐng)導(dǎo)作用。

正因延期，韋伯望遠(yuǎn)鏡捕捉微弱無(wú)線電的配置得到加強(qiáng)。比起哈勃望遠(yuǎn)鏡僅僅540公里的軌道，這一次，韋伯望遠(yuǎn)鏡直接登陸150萬(wàn)公里的衛(wèi)星軌道，以此減少月球和地球的熱輻射干擾。

它是有史以來(lái)，人類最貴的一雙眼睛。

不過(guò)，要等到這雙眼完全睜開(kāi)，還需要等待約半年時(shí)間。大概在2022年6月前后，韋伯望遠(yuǎn)鏡將正式啟動(dòng)。

它將傳回怎樣的照片？值得期待。