韋布空間望遠(yuǎn)鏡或?qū)⒏膶懹钪鏆v史

編譯 王曉濤

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡有望為我們對遙遠(yuǎn)行星及宇宙誕生之初的認(rèn)識帶來革命性變化

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計目標(biāo)就是要回答在過去半個世紀(jì)里牽動著天文學(xué)家心緒的諸多核心問題。這架望遠(yuǎn)鏡總耗資已超100億美元，堪稱有史以來最受人們期待的工程學(xué)壯舉之一。不過，韋布望遠(yuǎn)鏡要想充分發(fā)揮潛能——也就是改寫宇宙歷史、重塑人類在宇宙中的地位——很多相關(guān)工作都必須完成得恰到好處才行。

要想逆時間之河而上，一窺宇宙誕生之初第一批恒星散發(fā)光芒的樣子，你首先得磨制一面房子大小的鏡面。它的表面必須相當(dāng)光滑——如果同比例把鏡面放大成一片大陸，那么這片大陸上應(yīng)當(dāng)沒有任何高度、深度超過你腳踝的山丘或河谷。只有這樣一面表面極其光滑的大鏡子才能收集到來自宇宙最遙遠(yuǎn)星系的昏暗星光——這些光在很早之前就離開了源頭，因而攜帶著宇宙誕生之初時的信息。彼時，在神秘力量的驅(qū)使下，第一批恒星開始閃耀，打破了沉寂的黑暗，形成了我們?nèi)缃窨吹降哪切┳钸b遠(yuǎn)、最昏暗的星系。

宇宙的歷史堪稱一本巨著。這部作品的前面幾個章節(jié)里介紹了第一批恒星（很有可能碩大無比）的性質(zhì)，介紹了那些通過引力效應(yīng)推動恒星誕生的不可見物質(zhì)，介紹了磁效應(yīng)和擾動在宇宙襁褓期扮演的角色，介紹了大黑洞的成長過程以及它們進入星系中心的方式。不過，要想讀懂這些章節(jié)，只靠一面大鏡子是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

理論上，我們只要能觀測到足夠遙遠(yuǎn)的星光，就能看到星系形成時期的場景。那么，為什么這個愿景還沒有成真呢？因為，那些遙遠(yuǎn)星光，在經(jīng)歷幾十億年的長途跋涉最后抵達(dá)我們?nèi)庋郏ɑ蛱綔y器）的過程中，不可避免地因宇宙膨脹而拉伸變形了。具體來說，最遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的紫外波段輻射和可見光波段輻射，在經(jīng)歷長途跋涉之后，波長會拉長到原來的20倍左右，變?yōu)榧t外波段的輻射。然而，紅外光是一種我們常與熱量聯(lián)系在一起的原子振動光。我們的身體、我們腳下的土地、地球大氣散發(fā)出的熱量其實就是一種紅外輻射。也正是因為這樣，遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光在以紅外輻射的形式抵達(dá)地球后立刻就淹沒在了大量熱源中。因此，要想觀測到這些恒星，望遠(yuǎn)鏡不光要有一面極其平滑的大鏡子，溫度也要保持在極低的水平上——這就只能是在太空中工作的空間望遠(yuǎn)鏡才能勝任了。

然后，問題又來了：一面房子大小的鏡子實在太大了，根本沒法通過火箭送入太空。因此，鏡子在發(fā)射升空時必須折疊起來。這就意味著，鏡面決不能是無法分割的一整塊，必須由一塊塊子鏡面構(gòu)成，在外觀上就會變成蜂窩狀的鏡面陣列。接著，等到進入太空后，這些子鏡面又必須自動展開，形成一個完美的整體，才能大量捕捉高分辨率圖像。這就需要高精度馬達(dá)的幫忙——它們可以以小于病毒一半寬度的極高精度調(diào)整每一塊子鏡面，直至達(dá)到預(yù)期效果為止。

在諾斯羅普·格魯曼位于加利福尼亞的工廠里，組裝好的韋布望遠(yuǎn)鏡聳立著。此時，它的主鏡就處于折疊狀態(tài)

擁有了捕獲昏暗紅外線的能力，我們不但能看到宇宙形成時期的歷史篇章（這段歷史大約是大爆炸之后5 000萬年到5億年），還能了解很多其他方面的信息，比如環(huán)繞其他恒星運行的地球大小系外行星的特性，又比如備受爭議的宇宙膨脹率。許多學(xué)者認(rèn)為，這些信息同宇宙歷史一樣重要。不過，要想實現(xiàn)這個目標(biāo)，除了一面可以在發(fā)射升空后自動展開并精準(zhǔn)對焦的完美主鏡，還有一個元素也是空間望遠(yuǎn)鏡必備的。

即便是在外太空，地球、月亮、太陽也仍舊會對空間望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生加熱效應(yīng)，而且這種效應(yīng)相當(dāng)顯著，足以干擾望遠(yuǎn)鏡獲取宇宙中最遙遠(yuǎn)天體的昏暗光芒。為此，韋布望遠(yuǎn)鏡特地奔赴一個叫作L2的點。這個點與地球之間的距離相當(dāng)于地球月亮距離的4倍。從這個點觀察，地球、月亮和太陽處于同一方向，于是，望遠(yuǎn)鏡只需要豎起一面網(wǎng)球場大小的遮陽罩就能一次屏蔽上述三個天體的加熱效應(yīng)。通過這種方式，望遠(yuǎn)鏡終于得以進入極低溫工作環(huán)境，得以長期有效探測來自宇宙晨曦時期的微弱星光。

不過，遮陽罩既是紅外望遠(yuǎn)鏡唯一的希望，也是后者的阿喀琉斯之踵。

為了在保證遮陽面積足夠大的同時不過度增加火箭的負(fù)擔(dān)，遮陽罩必須由很薄的纖維物構(gòu)成。（就詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡來說，它的鏡面、照相機、傳輸部件、能源部件及其他所有部件加在一起的重量也就是一般地基望遠(yuǎn)鏡總質(zhì)量的2%左右。）建造這樣一艘質(zhì)量輕、體積大的紅外探測器絕非易事，但更大的風(fēng)險來自不得不使用的纖維物。按照工程師的說法，纖維物具有很強的“不確定性”，完全無法完美控制或預(yù)測纖維物的運動。一旦遮陽罩在展開時出現(xiàn)故障，那么整個韋布望遠(yuǎn)鏡都會立刻變成一堆太空垃圾。

在正式發(fā)射之前，耗費巨資建造的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡處于折疊起來的狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備安裝到“阿麗亞娜5”號火箭的頂部。美國東部時間2021年12月25日7時20分，搭載著望遠(yuǎn)鏡的火箭在法屬圭亞那的庫魯發(fā)射升空，此時距詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想首次提出已經(jīng)過去了30多年。這架望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時間比原計劃推遲了整整14年，預(yù)算則超出了20倍。“我們竭盡所能地找出錯誤、測試并重新演練，”諾貝爾獎得主、天體物理學(xué)家、在美國宇航局韋布望遠(yuǎn)鏡項目上擔(dān)任首席科學(xué)家足足25年的約翰·馬瑟（John Mather）如是說。他在發(fā)射前表示，現(xiàn)在，“我們馬上就要把價值百億美元的望遠(yuǎn)鏡放到一堆爆炸物上了”，后面的一切都要看運氣。

在韋布望遠(yuǎn)鏡項目30多年的發(fā)展歷程中，人類對宇宙的認(rèn)識也取得了巨大進步。毫無疑問，韋布的前輩哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在其中扮演了重要角色。借助哈勃探測并發(fā)回的信息，我們已經(jīng)意識到，恒星、星系、超大質(zhì)量黑洞的誕生時間要遠(yuǎn)早于我們原先的理論估計。此外，這些天體自誕生后經(jīng)歷了巨大變化。我們還知道，暗物質(zhì)和暗能量很大程度上塑造了現(xiàn)在的宇宙。通過開普勒望遠(yuǎn)鏡等探測設(shè)備發(fā)回的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，各類行星就像圣誕樹上的裝飾物一樣裝點著各大星系。其中，光是我們的銀河系內(nèi)就很有可能存在數(shù)十億計的潛在宜居星球。這些發(fā)現(xiàn)同時也提出了不少詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡可能解決的問題。此外，天文學(xué)家們也希望，這架望遠(yuǎn)鏡與其他觀測器一起，也能收獲足以提出重要新問題的觀測結(jié)果。“每一次我們建設(shè)新設(shè)備，”馬瑟說，“都會收獲驚喜。”

發(fā)射成功只是第一步，隨之而來的是天文學(xué)家娜塔利·巴塔爾哈（Natalie Batalha）所說的“長達(dá)6個月的如坐針氈時期”。在這6個月里，這架復(fù)雜到令人咋舌的望遠(yuǎn)鏡將通過成百上千個操作展開并對焦。首先，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡將在1個月內(nèi)飄蕩150萬公里，去到L2點。路上，它會在天空中變形成一朵睡蓮——巨大的金色子鏡面就是它的花瓣，坐落在面積更大的銀色葉片上。

“這是屬于我們自己的大膽嘗試時刻，”在韋布望遠(yuǎn)鏡時間分配委員會工作的哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家格蘭特·特倫布萊（Grant Tremblay）說，“韋布望遠(yuǎn)鏡執(zhí)行的任務(wù)將令所有人驚奇。我們會在《紐約時報》（The New York Times）上討論它如何見證時間邊緣恒星的誕生。這是宇宙中最早一批星系的故事，也是其他千千萬萬與地球類似的星球的故事。”

“請務(wù)必要正常工作。”補充這句時，特倫布萊的眼睛向上看著，透著祈禱的心境。

從均一走向團塊

美國宇航局上一次發(fā)射意義如此重大的望遠(yuǎn)鏡——哈勃空間望遠(yuǎn)鏡——是在1990年，過程堪稱災(zāi)難。“毫無疑問是場災(zāi)難。”資深天文學(xué)家桑德拉·法貝爾（Sandra Faber）告訴記者。法貝爾所在的研究團隊駐扎在位于馬里蘭綠帶城的美國宇航局戈達(dá)德宇宙飛行研究中心，主要任務(wù)就是診斷哈勃空間望遠(yuǎn)鏡項目中的錯誤。她和同事從一張哈勃拍攝的照片（照片中的一顆恒星看起來呈環(huán)狀）推斷出，哈勃的主鏡沒有磨制好，因而無法精準(zhǔn)對焦——具體來說就是邊緣厚了一半波長。（哈勃的主鏡是一面巨大的凹面鏡，星光經(jīng)主鏡反射到副鏡上，然后再由副鏡反射到照相機透鏡上。）如果在哈勃升空之前就能一起測試主鏡和副鏡，他們應(yīng)該早就注意到這個偏差了。然而，當(dāng)時，為了能夠讓這架拖延已久、遠(yuǎn)超預(yù)算的望遠(yuǎn)鏡盡早升空，一切都很匆忙，連這樣的測試都來不及做。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的M100星系圖像。左邊是1993年12月校正主鏡前拍攝的圖像，右邊是校正后拍攝的圖像

問題發(fā)現(xiàn)后，美國宇航局的部分領(lǐng)導(dǎo)人甚至提出了放棄哈勃望遠(yuǎn)鏡的想法——當(dāng)然，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡本身就是一個極有爭議的項目。好在，在馬里蘭州參議員芭芭拉·米庫爾斯基（Barbara Mikulski）的努力下，補救任務(wù)的資金有了著落，哈勃望遠(yuǎn)鏡才沒有淪為徹頭徹尾的笑話。當(dāng)然，補救的前提是確實有修復(fù)問題的可能——作為一架主要工作波段是光學(xué)波段而非紅外波段的望遠(yuǎn)鏡，哈勃只要在距地面550千米的低地球軌道上就能獲取清晰圖像了，不用像韋布望遠(yuǎn)鏡那樣長途跋涉到100多萬千米之外的L2點。1993年，航天飛機成功與哈勃望遠(yuǎn)鏡對接，宇航員給這架“近視”了的望遠(yuǎn)鏡裝上了隱形眼鏡，矯正了問題。到這個時候，哈勃才真正踏上了給人類天文學(xué)和宇宙學(xué)帶來革命性進展的偉大發(fā)現(xiàn)之旅。

在20世紀(jì)的大部分時間里，有關(guān)宇宙的最重要問題或許就是，宇宙究竟有沒有起點，還是說，宇宙自始至終都是我們現(xiàn)在看到的這個樣子。英國宇宙學(xué)家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）等學(xué)者支持后面一種觀點，也即所謂的“穩(wěn)恒態(tài)”理論。“這個理論得到大力支持的原因很顯然，那就是簡單。”威斯康星大學(xué)麥迪遜分校榮休教授、天文學(xué)家杰伊·加拉格爾（Jay Gallagher）說。“按照這個理論，在某個時間點上，事情起了變化，宇宙創(chuàng)造出了物質(zhì)。可為什么就非得是這樣？”穩(wěn)恒態(tài)理論的支柱霍伊爾，輕蔑地將對手的理論戲稱為“大爆炸”，認(rèn)為這是他們受《創(chuàng)世記》影響太深才產(chǎn)生的想法。

時間來到1964年，新澤西貝爾實驗室的射電天線收到了一陣“嘶嘶”聲。這股聲音的源頭就是天空中無處不在的宇宙微波背景輻射——和大爆炸理論預(yù)言的一模一樣。（宇宙誕生之初，溫度極高、密度極大，釋放了大量輻射，這些輻射在宇宙膨脹過程中不斷冷卻，最終變成了我們現(xiàn)在看到的宇宙微波背景輻射。）不過，宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)并沒有立刻終結(jié)這場爭論——在隨后的幾十年里，像霍伊爾這樣的鐵桿“穩(wěn)恒態(tài)”理論支持者仍舊固執(zhí)己見，完全不信任大爆炸理論的解釋。但是，大部分學(xué)者在看到貝爾實驗室的這項發(fā)現(xiàn)后，就立刻意識到那是大爆炸的余暉。對他們來說，宇宙微波背景輻射同時也創(chuàng)造了一個謎團。探測結(jié)果表明，來自天空中各個角落的宇宙微波背景輻射強度近乎完全一致，呈現(xiàn)幾乎完美的均一性，這就意味著，宇宙在誕生之初驚人地均勻、“光滑”——簡直可以算作一鍋濃湯。“問題在于，我們今天看到的宇宙完全是團塊化的。”法貝爾說，他在20世紀(jì)60年代讀研時，研究方向就是星系，“因此，認(rèn)識星系的第一個挑戰(zhàn)就是弄清楚宇宙是怎么從均一走向團塊的。”

宇宙學(xué)家知道，原子一定是在引力的作用下逐步結(jié)合到一起的，這個過程最終催生了如恒星和星系這樣的天體結(jié)構(gòu)。然而，從理論計算上看，這種結(jié)構(gòu)的形成過程應(yīng)該非常、非常緩慢。在宇宙誕生之初，不僅物質(zhì)因分布均勻而在引力作用下向各個方向拉伸，而且空間的膨脹以及光本身產(chǎn)生的壓力都會在物質(zhì)的分離過程中發(fā)揮作用，抵消物質(zhì)本身擁有的微弱引力吸引效應(yīng)。

下面說說暗物質(zhì)。20世紀(jì)70年代，華盛頓卡內(nèi)基研究所的薇拉·魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)，星系邊緣地帶的轉(zhuǎn)動速度要比理論預(yù)計的快得多，就好像還有什么看不見的引力源在撥動它們一樣。后來，人們就把星系內(nèi)外大量缺失的這種物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”。其實，早在20世紀(jì)30年代，弗里茨·澤維基（Fritz Zwicky）就觀測到，星系之間的引力吸引作用似乎遠(yuǎn)勝于基于其發(fā)光物質(zhì)總量推算得到的結(jié)果。暗物質(zhì)理論恰好與這個觀測結(jié)果吻合。此外，普林斯頓大學(xué)的吉姆·皮布爾斯（Jim Peebles）和杰瑞·奧斯特里克（Jerry Ostriker）在20世紀(jì)70年代通過計算發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)動的星系盤僅由恒星、氣體和塵埃構(gòu)成的話，它們會處于不穩(wěn)定狀態(tài)并最終膨脹成球體。為此，他們猜想，一定有什么看不見的物質(zhì)創(chuàng)造出了效應(yīng)更為強大的引力井，我們看得到的星系盤就在其中轉(zhuǎn)動。1979年，法貝爾和加拉格爾撰寫了一篇頗有影響的論文。這篇論文匯總了當(dāng)時有關(guān)暗物質(zhì)的所有證據(jù)，并且提出，暗物質(zhì)總量占到了全宇宙物質(zhì)總量的90%左右。（目前的估算值是85%左右。）

這些研究人員意識到，引力效應(yīng)強大且不受光壓影響的暗物質(zhì)可以在宇宙誕生之初相對較快地聚集起來。憑借對宇宙學(xué)的貢獻分享了2019年諾貝爾物理學(xué)獎的皮布爾斯提出了一個定性模型。在這個模型里，暗物質(zhì)粒子先是會聚在一起，形成團塊（現(xiàn)在稱為“暈”），接著，這些團塊又會不斷合并，變成越來越大的團塊。英國天體物理學(xué)家西蒙·懷特（Simon White）在20世紀(jì)80年代用計算機粗略模擬了這個“分級合并”的過程。雖然就當(dāng)時的條件來說，可見物質(zhì)實在太過復(fù)雜，計算機模擬的難度很大，但研究人員還是通過這個方法推測：聚集在一起的暗物質(zhì)催生了發(fā)光物質(zhì)。包裹在暗物質(zhì)暈內(nèi)的原子互相碰撞、加熱、朝中心下沉，最終在引力的作用下坍縮成恒星和盤狀星系。

雖然這個理論在提出后得到了大多數(shù)宇宙學(xué)家的支持，但還是有一個大問題沒有解決：啟動引力聚集過程的物質(zhì)密度變化最初是怎么出現(xiàn)的？“當(dāng)時，學(xué)界不清楚這個宇宙結(jié)構(gòu)形成模型的合理初始條件到底是什么，”現(xiàn)已退休、居于德國的懷特通過視頻軟件告訴我，“沒錯，我們是可以做計算機模擬，但問題是，我們根本不知道要輸入什么樣的初值。”

“突如其來的領(lǐng)悟”，1979年，宇宙學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）在筆記本上草草地寫下了這樣一句話。在此之前，他已經(jīng)通過計算得到結(jié)論：如果，在大爆炸之初，宇宙像氣球表面炸裂一樣突然爆炸，那就能解釋為什么宇宙后來變得這么龐大、均一、平坦。這個古斯當(dāng)時稱為原初暴增的理論，就是后來為學(xué)界所熟知的“宇宙暴脹”理論。“宇宙暴脹”理論在提出后，很快就成了為大家所接受的大爆炸理論“補丁”。宇宙學(xué)家很快就注意到，在暴脹期間，空間結(jié)構(gòu)中的量子漲落會在空間快速擴張過程中凍結(jié)，從而在整個宇宙中催生細(xì)微的密度差異。按照這個假說，暴脹帶來的密度點就是未來各種宇宙結(jié)構(gòu)的種子。

20世紀(jì)90年代初，我們真的在宇宙微波背景輻射中測量到了前面提到的那些細(xì)微密度變化——這項成就也為韋布望遠(yuǎn)鏡項目的頂尖科學(xué)家約翰·馬瑟贏得了諾貝爾獎。不過，早在這個發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)之前，法貝爾等學(xué)者就已經(jīng)在研究宇宙中的密度點了。1984年，她和3位學(xué)者在《自然》（Nature）上發(fā)表了一篇論文，介紹了當(dāng)時有關(guān)這個問題的所有進展。“這是學(xué)界第一次全方位地闡述暴脹制造漲落的具體方式，也是第一次詳盡描述漲落后續(xù)是如何催生出星系的。”法貝爾說。

然而，就現(xiàn)在的情況來說，這個理論自始至終都仍是推測性質(zhì)的，即便它是正確的，目前也缺少證據(jù)和細(xì)節(jié)。

1995年，也就是哈勃安裝矯正鏡后的第三年，這架望遠(yuǎn)鏡做出了服役期間最有影響力的一大發(fā)現(xiàn)，這也是建造其繼任者詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的主要動力之一。時任巴爾的摩空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（這所機構(gòu)既是哈勃望遠(yuǎn)鏡的指揮中心，也將是韋布望遠(yuǎn)鏡的指揮中心）主管的羅伯·威廉姆斯（Rob Williams）在部分博士后研究員的建議下決定，將他擁有的全部100個小時“主管支配時間”——在這100個小時里，羅伯有權(quán)決定用哈勃觀測任何目標(biāo)——用來觀測天空中一片比月亮縮略圖還小的無特征黑暗區(qū)域，主要目的就是尋找極為昏暗、遙遠(yuǎn)的天體——靈敏度稍差一些的望遠(yuǎn)鏡根本沒有可能發(fā)現(xiàn)它們。

羅伯的同行們大都覺得這是浪費時間。已故的約翰·白考（John Bahcall）當(dāng)時極力勸說羅伯放棄這個想法。白考和他的夫人內(nèi)塔·白考（Neta Bahcall）都是知名天體物理學(xué)家，他們堅定地認(rèn)為，像恒星和星系這樣的天體結(jié)構(gòu)都是在宇宙歷史的較晚近時期才出現(xiàn)的。如果事實的確如此，那么將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)那些遙遠(yuǎn)的昏暗天區(qū)就毫無作用，因為那里根本就是空無一物。白考夫婦和其他很多理論物理學(xué)家都認(rèn)為，羅伯拍攝到的照片只會是徹頭徹尾的黑暗。

然而在長達(dá)100個小時的曝光之后，寶箱的蓋子被打開了：在照片這片小小的長方形區(qū)域中閃爍著成千上萬個形狀、大小、顏色各異的星系。天文學(xué)家震驚了。

哈勃深空照相機拍攝到的這些遙遠(yuǎn)星系在照片上顯得偏紅一些，這是因為它們發(fā)出的光在不斷膨脹的宇宙空間中跨過了極大的距離才抵達(dá)相機，因而被拉伸到了更長一些的波段。這個現(xiàn)象就是“紅移”。借助這種“上色”機制，深空照相機拍攝的照片為我們提供了一幅有關(guān)宇宙和星系演化時間線的三維圖像。照片中的這些星系年齡跨度極大，且覆蓋了演化的各個階段，這就證明，宇宙在歷史長河中發(fā)生了劇烈變化。“自此，穩(wěn)恒態(tài)理論被扔出了窗外，杳無音訊。”法貝爾說，“這是一次偉大的認(rèn)識飛躍。自此，我們意識到，用望遠(yuǎn)鏡拍攝宇宙照片，就能回望過去，就能看到宇宙在不同歷史時期的樣子。”

1995年12月，哈勃深空照相機花費了10多天時間拍攝了這張照片。照片顯示，在這片寬度大概只有月球直徑1/12的天區(qū)中，存在大約3 000個星系

哈勃拍攝的照片表明，發(fā)光天體在宇宙中的形成速度比大多數(shù)專家預(yù)測的都要快得多。這就意味著，它們不可能只是依靠自身的引力強度演化到如今這個狀態(tài)的，扮演更重要角色的可能就是不斷合并的暗物質(zhì)暈。

早期的星系樣子很是奇怪——又小又凌亂——這些丑小鴨要花費幾十億年才能長成天鵝。“如今這個由諸多漂亮旋渦星系和橢圓星系構(gòu)成的精致宇宙的確是最近才演化出來的，”法貝爾說，“這一點也能在望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片中看到。”部分幼年星系不斷碰撞、合并，這也與宇宙結(jié)構(gòu)成長的分級聚集理論相符。此外，年邁星系中的恒星團分外明亮，這意味著，相對于如今更常見的類太陽恒星，在宇宙初期形成的那些恒星質(zhì)量要大得多，亮度也要高得多。

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系在“2倍紅移”處亮度達(dá)到最大、恒星形成速度最快。所謂“2倍紅移”是指，目標(biāo)星系與我們之間的距離讓它們發(fā)出的光抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡時波長拉伸到原來的2倍左右，時間尺度上對應(yīng)大爆炸之后20億年。在這個時間節(jié)點之后，許多星系趨于昏暗，現(xiàn)在多認(rèn)為這與星系中心神秘超大質(zhì)量黑洞的增長有關(guān)。

哈勃深空照相機拍攝的照片向我們展示了許多有關(guān)星系演化時間線的信息，但最令我們震驚的是，這些信息里沒有任何與宇宙開端相關(guān)的。以哈勃望遠(yuǎn)鏡的“目力”，只能看到形成時間相對晚近的星系，再久遠(yuǎn)的就無能為力了。即便宇航員后來為哈勃裝上了升級版相機，也只能不穩(wěn)定地觀測到“10倍紅移”（時間尺度上對應(yīng)大爆炸之后5億年）的星系光芒，而且成像質(zhì)量并不理想。按照目前的主流觀點，各類宇宙結(jié)構(gòu)的起點很可能比這個時間點還要早上數(shù)億年。

星系在形成時，會有部分物質(zhì)通過某種方式構(gòu)成恒星。然而，這些原初星系實在太遠(yuǎn)，也實在太昏暗，哈勃望遠(yuǎn)鏡無法探測到。另外，它們發(fā)出的光在抵達(dá)地球時，紅移程度也實在太嚴(yán)重了：已經(jīng)超出了可見光光譜的范疇，進入紅外波段。因此，要想探測到它們，我們就需要一架可以探測紅外波段電磁波且更為龐大的空間望遠(yuǎn)鏡。

“哈勃成功地通過它的深空照相機向我們揭示，存在紅移程度遠(yuǎn)超過我們此前預(yù)計的星系，”內(nèi)塔·白考后來對我說，“留給詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的問題則是，最早的星系究竟何時起源，以及為什么它們這么早就出現(xiàn)了。”

系外行星

1995年10月——羅伯·威廉姆斯將哈勃對準(zhǔn)虛無從而一窺時間歷史之前兩個月——瑞士天文學(xué)家米歇爾·邁耶（Michel Mayor）在意大利佛羅倫薩的一場大會上公布了另一項重要發(fā)現(xiàn)：他和他指導(dǎo)的研究生迪迪埃·奎羅茲（Didier Queloz）發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞其他恒星運動的行星，也即系外行星。

邁耶宣布這項發(fā)現(xiàn)時，當(dāng)時還是加州大學(xué)研究生的娜塔莉·巴塔爾哈其實也坐在禮堂后排，但她沒能立刻意識到這項發(fā)現(xiàn)的重要性。“事情的進展真是很有意思，現(xiàn)在回想起來，當(dāng)時的確是一個非常重要的時刻。”巴塔爾哈最近接受訪問時說。此時他電腦上的虛擬背景是圍繞同一顆恒星運動的三顆行星。“那是探索系外行星這個新時代的開端，也是我人生中的重要轉(zhuǎn)折，但我當(dāng)時并不知曉。”

當(dāng)時，系外行星搜尋工作在科研領(lǐng)域內(nèi)是一潭死水，邁耶和奎羅茲的尋找方法似乎也不太像是能成功的。他倆借助光譜儀（一種能將星光分解成各色光的儀器）監(jiān)測了100多個類太陽恒星，以期找到所謂的“多普勒位移”效應(yīng)——物體在靠近或遠(yuǎn)離時，看上去會變得偏藍(lán)或偏紅一些。找到這種效應(yīng)，意味著目標(biāo)恒星受到行星的引力擾動而產(chǎn)生“晃動”。乍一看，這個方法著實有些牽強，因為只有當(dāng)行星非常非常重且離母恒星足夠近時，后者的“晃動”效應(yīng)才會足夠明顯，才能被地球上性能最好的光譜儀捕捉。不過，當(dāng)邁耶和奎羅茲觀測飛馬座51（一顆距我們50光年遠(yuǎn)的類太陽恒星）時，晃動效應(yīng)的確足夠顯著。在排除其他可能性之后，他們得出結(jié)論：有一顆木星大小的行星在極近的距離（水星與太陽間距離的1/8）上每4.2天就繞飛馬座51一周。

迪迪埃·奎羅茲和米歇爾·邁耶，攝于1995年。拍攝這張照片之前不久，他倆有關(guān)系外行星飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)剛剛在《自然》上發(fā)表

這項發(fā)現(xiàn)，不僅意味著邁耶和奎羅茲找到了一顆系外行星（并且因此而與皮布爾斯分享了2019年諾貝爾物理學(xué)獎），更是顛覆了教科書對太陽系的認(rèn)識。正如行星科學(xué)家海蒂·海默（Heidi Hammel）所說，“在發(fā)現(xiàn)系外行星之前，有關(guān)太陽系形成的理論，簡直可以算得上是美好的童話故事”。這個故事很好地解釋了為什么巖石行星距母恒星較近，而氣態(tài)巨行星和冰巨星則離母恒星較遠(yuǎn)。那么，問題來了，為什么飛馬座51b這樣一顆“熱木星”，幾乎是貼（天文學(xué)尺度上的“貼”）著母恒星運動？

巴塔爾哈至今都還記得邁耶在佛羅倫薩公布系外行星發(fā)現(xiàn)時臺下觀眾的反應(yīng)——鴉雀無聲。毫無疑問，學(xué)界當(dāng)時對這項發(fā)現(xiàn)持懷疑態(tài)度，但沒過多久，更多系外熱木星的發(fā)現(xiàn)就驅(qū)散了這些懷疑的陰云。此外，隨著望遠(yuǎn)鏡性能的提升和觀測技巧的進步，其他種類的系外行星也被發(fā)現(xiàn)了。邁耶宣布發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星16年后，巴塔爾哈在美國宇航局領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊發(fā)現(xiàn)了第一顆獲得確認(rèn)的系外巖石行星開普勒10b。

巴塔爾哈在加利福尼亞東灣長大。當(dāng)時她還沒有隨夫改姓巴塔爾哈，閨名娜塔莉·斯托特（Natalie Stout）。1983年，物理學(xué)家薩里·萊德（Sally Ride）進入太空執(zhí)行任務(wù)，成為第一位進入太空的美國女性，這令時年17歲的巴塔爾哈大感震撼。饒是如此，她也幾乎從沒想過未來會進入科學(xué)領(lǐng)域。雖然父母都沒有上過大學(xué)，但巴塔爾哈成功考入加州大學(xué)伯克利分校，主修商學(xué)。大二的一個周末，她在洗衣服時突然想道：“拋開天賦、資源不談，如果全世界的行當(dāng)任我挑選，我會選什么？”出乎意料，答案幾乎立刻就浮現(xiàn)在她的腦海：參與太空項目。

于是，巴塔爾哈便開始上物理課，起初她在學(xué)業(yè)上很是掙扎，但熱情不減。“日常發(fā)生的一切竟然都能用數(shù)學(xué)公式解釋，這讓我的生活有了全新的意義。”巴塔爾哈說，“物理學(xué)讓我用不一樣的視角看待自己在宇宙中的位置。既然一個方程就能解釋薄膜干涉現(xiàn)象——為什么一攤油乎乎的水能泛出彩虹一樣的七色——那么，人類認(rèn)識自然世界的極限究竟在哪兒？”

巴塔爾哈覺得，自己通過某種方式把科學(xué)和商學(xué)結(jié)合到了一起。她在繼續(xù)物理學(xué)課堂學(xué)習(xí)期間，獲得了前往懷俄明州紅外天文臺暑期實習(xí)的機會——地基紅外望遠(yuǎn)鏡可不多見，懷俄明州紅外天文臺就是其中之一。到天文臺后，巴塔爾哈卻告訴導(dǎo)師和同伴，她的目標(biāo)和他們不同，她并沒有成為科學(xué)家的打算。后來，導(dǎo)師給了她一項課題，巴塔爾哈很好地完成了并且正式發(fā)表了成果。導(dǎo)師告訴她，“不要低估自己”。受到鼓勵的巴塔爾哈回到伯克利后，便敲響了吉博爾·巴斯里（Gibor Basri）的辦公室門。

加州大學(xué)圣克魯茲分校天文學(xué)家娜塔莉·巴塔爾哈領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊發(fā)現(xiàn)了第一顆系外巖石行星。未來，她將負(fù)責(zé)監(jiān)管詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的第一批系外行星觀測活動

恒星天文學(xué)家吉博爾·巴斯里安排巴塔爾哈分析恒星光譜。親身體驗前沿科學(xué)方法的感覺令巴塔爾哈著迷。此外，她還和辦公室同行、巴斯里的博士后塞爾索·巴塔爾哈（Celso Batalha）墜入了愛河。后來，巴塔爾哈嫁給了塞爾索，去加州大學(xué)圣克魯茲分校攻讀天文學(xué)碩士。兩人很快生下一男一女，男孩叫諾蘭（Nolan），女孩叫娜塔莎（Natasha）。過了些年，他倆又生了兩個孩子。那些年里，巴塔爾哈和巴西籍丈夫塞爾索頻繁地來往于加利福尼亞和里約熱內(nèi)盧。里約熱內(nèi)盧的生活很是美好，但同時也很復(fù)雜。巴塔爾哈至今都還記得，他們在驅(qū)車經(jīng)過貧民窟時，路邊躺著一具燒焦的尸體。最后，他們選擇在灣區(qū)定居下來。

彼時的巴塔爾哈認(rèn)為自己的主要職責(zé)是當(dāng)一位合格的母親，天文學(xué)只是副業(yè)，因而從不參加任何會議。不過，凡事皆有例外，當(dāng)受邀出席1995年在維也納舉辦的恒星光譜學(xué)大會并在會上提交有關(guān)恒星黑子的新數(shù)據(jù)時，巴塔爾哈答應(yīng)了。為了照顧年幼的孩子，她還帶上了父母一同前往歐洲。會議結(jié)束后，她決定多待一周，去參加在佛羅倫薩舉辦的行星會議。巴塔爾哈注意到，這場行星會議的最后一天，電視攝像在最后一刻被加入了日程安排中。“然后，米歇爾·邁耶站了起來，若無其事地說起了系外行星的發(fā)現(xiàn)。”巴塔爾哈說。

起初，巴塔爾哈并沒有重視那顆剛剛發(fā)現(xiàn)的熱木星，而是在加州大學(xué)圣克魯茲分校專注于恒星黑子的研究。大約一年后，她聽說美國宇航局埃姆斯研究中心（位于硅谷）一位名叫比爾·布魯斯基（Bill Borucki）的科學(xué)家決心要建造一架有能力探測地球大小的系外巖石行星（而不僅是氣態(tài)巨行星）的空間望遠(yuǎn)鏡。至于具體方法，布魯斯基決定使用掩星法。邁耶和奎羅茲通過追蹤恒星星光的顏色變化尋找系外行星，而布魯斯基尋找的則是恒星星光強度的周期性減弱現(xiàn)象——當(dāng)環(huán)繞母恒星運動的行星運動到恒星前方時，就會遮住母恒星的一小部分星光，從而造成上述現(xiàn)象。

巴塔爾哈覺得，這種方法很難奏效。剛好，她知道恒星黑子差不多就是地球大小，所以她覺得一顆小體積行星經(jīng)過母恒星時造成的星光昏暗效應(yīng)，是很難和恒星自轉(zhuǎn)過程中黑子的出現(xiàn)造成的星光昏暗效應(yīng)區(qū)分開來的。巴塔爾哈寫信給布魯斯基說明了這個問題。后者回信說，美國宇航局已經(jīng)否決了他的這項提議，其中一部分原因正是巴塔爾哈提到的這點。布魯斯基還邀請巴塔爾哈前去埃姆斯研究中心，一道研究區(qū)分那兩種效應(yīng)的方法。

巴塔爾哈答應(yīng)了，并且與布魯斯基成功地找到了區(qū)分方法。再后來，美國宇航局批準(zhǔn)了布魯斯基重新提交的空間望遠(yuǎn)鏡計劃，而巴塔爾哈也成了項目科學(xué)家。這架望遠(yuǎn)鏡就是開普勒空間望遠(yuǎn)鏡。自2009年3月升空后，布魯斯基及其團隊涉及的這架望遠(yuǎn)鏡利用掩星法持續(xù)觀測了大約15萬顆恒星。開普勒發(fā)射升空那天，巴塔爾哈夫婦帶著4個孩子一道去到了位于佛羅里達(dá)的卡納維拉爾角，現(xiàn)場見證這個具有重要意義的時刻。

開普勒的主要搜索目標(biāo)是地球大小的系外行星。“我們在拿到望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的10天內(nèi)就認(rèn)證了開普勒10b。”巴塔爾哈說。這個研究團隊在把目標(biāo)恒星的亮度變化情況繪制成圖后，發(fā)現(xiàn)存在明顯的明暗變化周期。后續(xù)的地基望遠(yuǎn)鏡觀測進一步證明，開普勒10b的確是顆行星，而且根據(jù)其質(zhì)量和半徑推測，一定是顆巖石行星。2011年1月，巴塔爾哈宣布，他們明確無誤地探測到了巖石系外行星——在那之前，曾有一支歐洲天文學(xué)家團隊也宣稱發(fā)現(xiàn)了一顆名叫CoRoT-7b的巖石系外行星，但那個結(jié)果仍有諸多不確定之處。不過，無論是開普勒10b還是CoRoT-7b，都沒法得到“類地球”這個夢寐以求的稱號，因為它們與母恒星之間的距離實在太近，不在允許液態(tài)水存在的“宜居帶”內(nèi)。（第一顆可能擁有液態(tài)水的巖石系外行星，也即真正的類地球行星，是開普勒186f。2014年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆行星后，相關(guān)新聞立刻占據(jù)了各大媒體的頭版頭條。巴塔爾哈沒有正式參與到開普勒186f的發(fā)現(xiàn)工作中。）

系外行星系的位相變化

后來，開普勒望遠(yuǎn)鏡因為兩個發(fā)動機失靈而過早地陷入困境，但在那之前，它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2 600多顆系外行星。算上其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的，已知系外行星總數(shù)已經(jīng)超過4 500顆，這個數(shù)字已經(jīng)足夠天文學(xué)家從統(tǒng)計學(xué)層面上研究它們的性質(zhì)。正如飛馬座51b表明的那樣，我們的太陽系并非宇宙中的典型。舉例來說，星系中最常見的行星大小應(yīng)該介于巖石行星和氣態(tài)巨行星之間，而我們太陽系偏偏沒有這種大小的行星。目前，行星天文學(xué)家還不知道為什么宇宙中有那么多“超級地球”（或者說“亞海王星”），也不知道這些行星長什么樣子，不知道它們是怎么形成的。我們迫切需要有關(guān)行星形成和演化的新理論。

研究人員根據(jù)目前已獲得的數(shù)據(jù)推斷，光是我們所在的銀河系就有數(shù)十億顆擁有液態(tài)水的巖石行星，這同時意味著，生命很可能遍布宇宙。不過，在我們找到其他行星上確實存在生命的證據(jù)之前，生命在地球上的出現(xiàn)仍有可能只是偶然，且我們?nèi)祟惾杂锌赡苁怯钪娴囊粋€孤單物種。

令人欣慰的是，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡性能足夠強大，能夠探測系外行星的大氣層和氣候條件——如果我們足夠幸運的話，甚至可能找到存在外星生態(tài)圈的有力證據(jù)。

“對于系外行星探測來說，紅外波段是一個再好不過的窗口。”巴塔爾哈說。毫無疑問，韋布望遠(yuǎn)鏡為我們提供了一個絕好的探測系外行星乃至系外生命的機會。

資料來源 Quanta Magazine