空間望遠(yuǎn)鏡追尋古老星光

陶愷

2022年9月日，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡首次拍攝到了一顆系外行星的直接圖像

9月1日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）稱(chēng)，一向被調(diào)侃為“鴿王”的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡，這回沒(méi)有失約，首次拍攝到了一顆系外行星的直接圖像。

這顆被命名為“HIP 65426 b”的系外行星，是一顆年輕的星球，質(zhì)量是木星的6～12倍。作為氣態(tài)巨行星，它并不適宜居住，但這次拍攝的目的及價(jià)值，顯然并非尋找哪個(gè)適合星際移民的“替代星”，而是一次對(duì)宇宙輪廓的再度張望。

拍攝“直接圖像”，也并非想象中快門(mén)一按那樣簡(jiǎn)單。事實(shí)上，早在2017年，天文學(xué)家便通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了這顆行星的存在，但由于地球大氣散發(fā)紅外輻射干擾，行星的細(xì)節(jié)無(wú)法在拍攝畫(huà)面中呈現(xiàn)出來(lái)。而身處太空的韋布望遠(yuǎn)鏡，能夠利用配備了日冕儀的近紅外相機(jī)、中紅外儀器遮擋恒星光芒，即便HIP 65426 b 比身邊圍繞的恒星要黯淡一些，韋布空間望遠(yuǎn)鏡也能夠在群星璀璨之間找到它，為它拍攝出清晰的“證件照”。

NASA第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋布

對(duì)于探索宇宙的漫漫征程來(lái)說(shuō)，韋布空間望遠(yuǎn)鏡的這次拍攝算得上振奮人心。“我們甚至還可能發(fā)現(xiàn)以前不知道的行星。”負(fù)責(zé)圖像分析的美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校博士后阿林·卡特表示。

這架造價(jià)高昂、歷經(jīng)坎坷的空間望遠(yuǎn)鏡，終于開(kāi)始向“宇宙尋寶”邁出了堅(jiān)定的步伐。

張望宇宙的眼睛

大眾對(duì)“空間望遠(yuǎn)鏡”最初的了解，始于1990年發(fā)射升空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡。

在空間望遠(yuǎn)鏡之前，人類(lèi)對(duì)宇宙的了解是相對(duì)被動(dòng)且局限的。一方面，受技術(shù)限制，人類(lèi)大大小小的探測(cè)器都不能飛出太陽(yáng)系，抵達(dá)太陽(yáng)系之外的宇宙，“研究”成了圍繞著地球的“類(lèi)地研究”，方法也大多數(shù)是“找規(guī)律”和“算算數(shù)”：透過(guò)大氣層觀察某個(gè)恒星的顏色及其他信息，計(jì)算它的溫度、年齡，與地球之間的距離等等。如果觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性的亮度變化，還可以推導(dǎo)出是否有固定的行星定期從恒星前面飛過(guò)……

這些旁觀、計(jì)算與猜測(cè)，隔著以光年計(jì)的厚厚“窗戶紙”，看起來(lái)頗有“人類(lèi)一敗涂地”的窘迫之感。而窘迫之外，更大的問(wèn)題在于，宇宙的奧秘或許并不難以挖掘，它就寫(xiě)在一個(gè)個(gè)星星的“臉上”：如果人類(lèi)想了解5年前的宇宙，就可以觀察5光年外的星星;如果想了解1億年前的宇宙，觀察一顆1億光年外的恒星就可以了。宇宙這座巨大的博物館，以時(shí)間、距離為尺度，陳列著所有秘密。只要參觀者看得仔細(xì)、走得夠遠(yuǎn)，就能找到更多的答案。

但從前使用的射電望遠(yuǎn)鏡沒(méi)辦法做到這些。射電望遠(yuǎn)鏡的工作方式是在地球的地表收集恒星發(fā)出的電磁波信號(hào)，以此勾勒它們的輪廓，但恒星發(fā)出的短波信號(hào)—紅外線、可見(jiàn)光等，很容易被包裹地球的大氣層干擾或徹底吸收。用射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙，如同在水中望向陸地，模糊、失真，也難以真的“望遠(yuǎn)”。射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)代，人類(lèi)的觀測(cè)范圍甚至無(wú)法突破百億光年。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的升空改變了這一切。人類(lèi)從圖形扭曲的“水面”伸出了眼睛，從被動(dòng)接收宇宙信號(hào)變?yōu)椤皬堁劭词澜纭保钪嬉膊辉僦皇强茖W(xué)家們演算紙上的抽象數(shù)字，而變成了一幅幅更立體、更動(dòng)人的星光。

2019年，哈勃望遠(yuǎn)鏡公布了一張包含26.5萬(wàn)個(gè)星系的宇宙照片。這張?jiān)诠倬W(wǎng)上可供所有人下載、每個(gè)可見(jiàn)光點(diǎn)都可以放大查看星系全貌的照片，不僅是目前為止最詳細(xì)的“宇宙快照”，更是一扇沒(méi)有門(mén)檻的大門(mén)，以精彩絕倫的往日星光吸引著普通民眾對(duì)宇宙最初的向往。

宇宙的奧秘或許并不難以挖掘，它就寫(xiě)在一個(gè)個(gè)星星的“臉上”。

2017年4月13日，美國(guó)馬里蘭州，正在調(diào)試中的詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡

昂貴繼任者

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在太空服役的30年間，地面的探測(cè)科技也取得了一些進(jìn)步，最重磅的便是用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，修正了被地球大氣層扭曲的可見(jiàn)光—這讓地面天文臺(tái)拍攝的照片清晰度能夠超越哈勃。

但無(wú)論是哈勃還是地面望遠(yuǎn)鏡，短板都是顯而易見(jiàn)的：地面探測(cè)縱然可以修正可見(jiàn)光，但被大氣層吞掉的紅外線、紫外線、X光沒(méi)辦法復(fù)原;哈勃服役太久，身上的硬傷很多，修補(bǔ)、維護(hù)需要昂貴的投入和復(fù)雜的調(diào)度，更重要的是，哈勃的設(shè)置有點(diǎn)跟不上人類(lèi)探秘的腳步了。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以捕捉可見(jiàn)光見(jiàn)長(zhǎng)。但在拍攝出宇宙基本的樣貌、帶來(lái)震撼人心的圖片之后，還有隱藏在可見(jiàn)光之下、與周?chē)饷⑾啾嚷燥@黯淡的群星等待著被看見(jiàn)和研究—這些，需要望遠(yuǎn)鏡可以捕捉紅外線。

紅外線可以穿過(guò)宇宙大部分的星云與星系，通過(guò)紅外光成像，更古老的宇宙、更遙遠(yuǎn)的星系才能被我們看到。如果說(shuō)哈勃望遠(yuǎn)鏡看到的是成年的宇宙，那么如今，需要一個(gè)專(zhuān)攻紅外線的“繼任者”，帶領(lǐng)地球上的人類(lèi)看見(jiàn)嬰兒時(shí)期的宇宙。

雖然科學(xué)家們?cè)缭缯J(rèn)識(shí)到了紅外線空間望遠(yuǎn)鏡的重要性，早在1996年便開(kāi)始準(zhǔn)備打造且定在了2007年發(fā)射，但一切并沒(méi)有想象中那樣容易，有關(guān)這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算也一路飆升，從5億美元到了100億美元。

望遠(yuǎn)鏡以NASA第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋布的名字命名—但命名其實(shí)是發(fā)生在2002年的事情了。從那時(shí)開(kāi)始，項(xiàng)目方案幾度被推翻，2005年，更是一切要重新設(shè)計(jì)，并最終花費(fèi)了11年，將韋布空間望遠(yuǎn)鏡制造完成。

從2016年開(kāi)始，韋布空間望遠(yuǎn)鏡又進(jìn)入了漫長(zhǎng)的檢測(cè)調(diào)試階段—這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的最終使命，是去往距離地球150萬(wàn)千米的“拉格朗日L2點(diǎn)”張望宇宙。那是載人航空器無(wú)法到達(dá)的地方，也意味著如果發(fā)生任何錯(cuò)誤、故障，韋布沒(méi)有任何被修補(bǔ)的可能，只能直接報(bào)廢。

近三年的調(diào)試時(shí)間里，韋布狀況不斷：防光罩脫落、細(xì)節(jié)故障……2020年，新冠疫情暴發(fā)，發(fā)射計(jì)劃又因人類(lèi)社會(huì)的種種被延遲。

2021年12月25日，歷時(shí)25年、耗資100億美元、占用了NASA自有計(jì)劃以來(lái)全部預(yù)算1/4的韋布空間望遠(yuǎn)鏡，作為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者，終于在“鴿”了數(shù)次之后，成功升空。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡環(huán)繞地球運(yùn)行

只要其中一個(gè)在運(yùn)輸、展開(kāi)的途中出現(xiàn)問(wèn)題，25年光陰和100億美元將就地蒸發(fā)。

“星星都死去了，你今天才能在這里”

升空并非終結(jié)。

因?yàn)轫f布空間望遠(yuǎn)鏡的鏡面設(shè)計(jì)要求為6.5米口徑，遠(yuǎn)超火箭發(fā)射的尺寸限制，科學(xué)家選擇將其折疊，進(jìn)入太空后再展開(kāi)。這些極薄的六邊形鏡子與遮光板一起被折疊再展開(kāi)，本身即意味著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，韋布“全身上下”有多達(dá)344個(gè)故障點(diǎn)，且全部沒(méi)有多余備份—只要其中一個(gè)在運(yùn)輸、展開(kāi)的途中出現(xiàn)問(wèn)題，25年光陰和100億美元將就地蒸發(fā)。

幸運(yùn)的是，一切在如履薄冰的操作中正常展開(kāi)。今年1月24日，韋布順利進(jìn)入拉格朗日L2點(diǎn)運(yùn)行軌道;3月11日，韋布完成了最后一輪鏡片微調(diào)，并傳回了第一張校準(zhǔn)時(shí)拍攝的清晰照片—這意味著它已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)。

好消息不斷傳來(lái)。

7月12日，韋布空間望遠(yuǎn)鏡工作以來(lái)的第一批正式圖像發(fā)布。在“韋布深場(chǎng)圖”中，能夠看到正中心、位于飛魚(yú)座的星系團(tuán)，它們與地球相距50億光年;在它周?chē)孱伭男“唿c(diǎn)，是宇宙早期的星系—此前，人類(lèi)的望遠(yuǎn)鏡并不能捕捉到它們的身影。如今，韋布通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)、積累它們發(fā)出的光子，最終呈現(xiàn)出它們的輪廓。

8月24日，韋布捕捉到了太陽(yáng)系外行星WASP-39b大氣中存在二氧化碳的第一個(gè)明確證據(jù)。這顆距離地球700光年、大氣中混合著二氧化碳、甲烷和水蒸氣等“生命要素”的星球，縱然因?yàn)殡x太陽(yáng)過(guò)近顯得太過(guò)熾熱，可能無(wú)法真的承載生命，但這份新發(fā)現(xiàn)已足以令人興奮。

9月1日，韋布首次拍攝到了一顆系外行星的直接圖像……

面對(duì)浩瀚的宇宙，雖然人類(lèi)及其制造的工具顯得太過(guò)渺小，但韋布的成功升空與正常運(yùn)行，確實(shí)給了渺小的人類(lèi)一次窺探的機(jī)會(huì)，能夠無(wú)限接近可觀測(cè)宇宙的初始，到這座博物館更深遠(yuǎn)的地方尋找自己想要的答案。

“方法有限，所知甚少，但宇宙充滿玄妙，我們必須破解。”以文明的勤勉、努力追逐百億年前的星光，回答自己“何以至此”的命題，韋布和人類(lèi)，都還在不斷努力。

特約編輯姜雯 jw@nfcmag.com