韦伯太空望远镜:改写宇宙认知进行时

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撰文/李天心  供图/美国国家航空航天局  欧洲航天局

詹姆斯·韦伯太空望远镜，在世界上最知名的科学杂志《自然》上被评选为2022年度“十大科学突破”，且位列榜首。
《自然》杂志的评语写道：“在克服无数次挫折、经历20年研发过程、耗费100亿美元并完成150万公里的危险旅程之后，詹姆斯·韦伯太空望远镜通过提供前所未有的细节，让人类看到了宇宙的面貌。与哈勃太空望远镜不同，这台新的太空望远镜可以捕捉到红外光，包括宇宙中最早出现的恒星和星系发出的光。它已经发现了有记录以来最遥远和最古老的星系。有些可能早在宇宙大爆炸后3.5亿年就已存在了，当时宇宙的年龄只有目前年龄的2%。韦伯望远镜还对太阳系外的行星进行了拍摄，这些资料可能会提供有关其成分的信息，且有望揭示其是否适合人类居住。”



01

“韦伯”为何如此强劲？

作为“哈勃”的继任者，“韦伯”的总体结构和“哈勃”没有太大区别，都包括：用于收集光线的镜面、用于处理光线的成像界面、动力系统、降温设备、与地面进行信息交流的传输系统。但是在每个环节的技术上，“韦伯”都集合了当今该领域最先进的技术成果，从而极大地提升了整个望远镜的数据收集和处理能力。

首先是镜面。看到“韦伯”的第一眼，一定会最先被它那像蜂巢一样巨大的金黄镜面所吸引，这是“韦伯”的主镜。这面主镜由18面六边形镜子拼合而成，其材料是金属铍，铍最大的特点就是密度极低、硬度高、膨胀系数低，因此这面足足有25平方米的大镜子实际上只有705公斤；对比之下，“哈勃”用玻璃制成的主镜面虽然只有韦伯的1/7大，却已重达828公斤。大镜面是望远镜“看得远”的绝对标准，这意味着能收集到更多的光线，特别是来自遥远星球的微弱光线。其表面金黄的颜色是货真价实的黄金喷漆，金能很好地提高红外光的反射率，使成像效果更好。
不过，也正是因为这面镜子面积太大，造成一个技术难点——全部展开将无法装进运载火箭，这就需要将镜子先折叠起来，到了太空再展开拼合。问题是，重新展开的镜子，如何保持整面镜子平整如一？要知道，哪怕是微小的折角也会使收集到的光线在成像上大打折扣。为此，工程师为每一块镜片设计了6个电动伺服机构，能单独调整每块镜片的角度，其最高调整精度达到10纳米，这一尺寸大约相当于人类头发丝的一万分之一。



除了主镜，“韦伯”还有三个镜面，一个是位于主镜之前的次镜、位于主镜中心的三级反射镜、精细转向镜。光先照射到主镜上，主镜将光线汇聚反射到次镜上，次镜再将光线依次反射到三级反射镜、精细转向镜，最后才到达综合科学仪器模块（感光成像模块）。由主镜、次镜和三级反射镜所组成的系统也被称为三反射镜消像散系统，其目的是通过三个曲面反射镜来反射光线，以达到消除三种光学像差，即球面像差、彗形像差和像散对成像的影响。

经过这一系列的镜面反射，光线才最终达到综合科学仪器模块，模块一共有四个，分别是近红外相机(NIRCam）、近红外光谱仪(NIRSpec)、精细制导传感器/近红外成像无缝隙光谱仪(FGS/NIRISS)、中红外仪(MIRI)。NIRCam和NIRSpec可观测到0.6微米到5.0微米近红外波段，FGS/NIRISS可观测到0.8微米至5.0微米的近红外波段，MIRI可观测到4.6微米到28.6微米的中长红外波段。这些都是“韦伯”能看到红外线波段的核心武器。



“韦伯”除了拥有一张大黄金脸之外，就属一双紫色大“翅膀”最引人注目了。这双紫色大翅膀实际上是“韦伯”的降温系统。如果“韦伯”自身温度过高，其庞大镜片本身就会发射出红外光，这会使本就微弱的来自遥远星系的红外光收集受阻，因此，“韦伯”工作的理想温度是零下223度的极低温环境。为了达到这一低温，科学家为“韦伯”设计了五层网球场大小的菱形聚酰亚胺隔热罩。为了减轻重量，每层隔热罩只有接近人类头发直径的厚度，每层正反两面均涂上100纳米厚的铝，最靠近太阳的两层还掺杂了硅，这就是它呈现美丽紫色的来源。五层大翅膀协同工作，可以使“翅膀”两侧温差达到300摄氏度。

其实不光这双大“翅膀”，为了给“韦伯”降温，科学家还为“韦伯”精心选择了凉爽又安全的降落地点——位于地球阴面的拉格朗日L2点。拉格朗日点是目前无法用数学解决的三体问题在给定一些特定条件下形成的特殊点位。拉格朗日点是指一个小物体在两个大物体引力作用下于空间中相对于两大物体基本保持静止的点，这个点被称为平动点，即拉格朗日点，这样的点一共有5个。L2点是位于日地连线上，地球背面一侧的点。这个点可以使“韦伯”背向太阳和地球，既避免了过多的太阳照射，又便于与地球联络，是目前空间站中观察太阳系和宇宙理想又热门的观测点之一。

02

可能带来的革命性变革

宇宙膨胀的最初理论是1929年通过美国天文学家爱德温·哈勃的研究和观察第一次得到有力证明的（哈勃望远镜正是以他的名字命名）。
哈勃通过研究一批“河外星云”发现，距离地球越远的星云，其谱线“红移”越大，通过计算和罗列这些“红移”数据，哈勃还发现星云的视向退行速度V与星云与地球间的距离D之间大致成正比关系，即V=H0×D。这表明距离我们越远的星云，退行速度越快，进而表明宇宙是在膨胀的，宇宙是动态的。V=H0×D被称为哈勃定律，其中的比例系数H0则被称为哈勃常数，它代表当前宇宙一个单位距离的膨胀速度。



哈勃研究时间尚早，观察条件也很简陋，进入21世纪，人们发现宇宙膨胀速度并非是匀速不变的，宇宙一开始是减速膨胀，大爆炸发生后大约100亿年则开始了加速膨胀。
因此对于早期宇宙，哈勃定律所描述的线性膨胀行为失效了，1998年基于宇宙加速膨胀，科学家在哈勃定律的基础上发展了更为复杂的标准宇宙学模型（LCDM）。这个模型中考虑了更多宇宙因素对于膨胀的影响，包括更多参数，如占宇宙组成25%的暗物质、占70%的暗能量，哈勃常数的测定也因此变得更加复杂，直到今天仍有众多争论。



不过，由于太空望远镜的发明，关键参数特别是“红移”值的测定比之前更加精确和方便。所谓“红移”是天体由于宇宙膨胀而相互远离的现象在光谱上的表现，它现在成为测定天体距离与年龄的最关键依据之一。
由于光是一种波，物体间越相互远离，其间的波长就越长，反之则越短，显示在光谱上的可见光波段上就是，越往红光一端的波长越长，意味着物体之间在相互远离，也就是“红移”，越往蓝光一端的波长越短，意味着物体在相互靠近，也就是“蓝移”。因此，根据某个天体发射出来的到达太空望远镜的光线的红移值，依据标准宇宙学模型，就能计算出该天体所处的宇宙年龄，进而推算出该天体自身的年龄。

03

发现早期宇宙和星星诞生的秘密

如前所述，“韦伯”由于看得“深远”，其发现的关键词在于“早期”，一个是宏观宇宙的早期阶段，一个是微观宇宙的星系和恒星行星形成的早期阶段。
观察宏观宇宙和寻找最古老星系的最好数据，是太空望远镜拍摄的“深场”照片（Deep Field）。通俗地说，就是太空望远镜在其视野内所拍摄的宇宙“全景照”。
从“韦伯”在2022年7月份发回来的第一批深场照片中，就有科学家发现了一个名为GLASS-z13的可能是目前所发现的最古老星系，它的红移是13，而红移13则意味着星系存在于宇宙3.3亿年，如果GLASS-z13能够得到证实，这就意味着比大爆炸理论认为星系形成于4亿年的时间又往前推进了7000年。



在2022年11月再次传回的深场照片中，在潘多拉星系（Abell 2744）的外围也发现了两个十分古老的星系，一个红移值为10.5，一个红移值为12.5，只是和银河系比起来，它们都十分小。
无论是恒星还是行星，其演化阶段的早期，由于距离地球太过遥远，想要看到它们的细节之处非常困难。韦伯所具有的高精度的近红外拍摄能力解决了这个问题，首次捕捉到这些早期阶段的恒星和行星之前从未被看到的精微影像和数据，为我们详细揭开恒星和行星诞生的神秘面纱提供了新的依据。



比如韦伯拍摄到了L1527暗星云中正在形成的原恒星。原恒星和它发出的光线以及围绕在其周围的气体和尘埃看起来像一个沙漏。原恒星就位于这个沙漏的“颈部”。一个正在形成边缘的原行星盘就像一条黑线穿过“颈部”中间。来自原恒星的光从这个圆盘的上下露出，照亮了周围的气体和尘埃，形成沙漏的上下两个空间。
韦伯还拍摄到了630光年之外的“变色龙一”分子云中藏着的冰粒，这些冰粒因为云旁恒星发出的光被照亮而被发现（分子云是不发光的暗星云）。根据行星形成的“核吸积”模型，可能正是这些冰粒吸附了尘埃形成最初的行星胚胎——厘米大小的“鹅卵石”。这些冰粒是目前分子云中所发现的离我们最远也最冷的冰粒，也是目前所发现的分子云中冰粒的最全清单。



至于众多亮星云中之前从未被看到的年轻恒星区域更是不在话下。如狼蛛星云中一片之前在宇宙尘埃遮蔽之下包含着上万颗年轻恒星的区域，照片中它们如碎裂的蓝色宝石熠熠生辉；船底星云则在其包含年轻恒星形成区域的“宇宙悬崖”，发现了二十多处分子氢外流、喷流和弓形激波现象，分子氢正是恒星形成的主要元素；在鹰状星云的“创生之柱”区域同样发现了许多之前未被看到的漫天年轻恒星。

04

“看见”前所未有的细节

对于庞大星系的运作，“韦伯”也提供了前所未有的细节。诸如拍摄到NGC7469非常年轻的恒星形成星团、温暖湍流的分子气体袋，以及距离原子核几百光年内小尘埃颗粒被破坏的直接证据——证明活动星系核（AGN）正在影响周围的星际介质。
活动星系核是指一类星系核心亮度能够超过整个星系的恒星总亮度的星系的核心。AGN能够发光的本质在于其中的超大质量黑洞能快速吸积物质，物质的一部分引力势能通过辐射的形式释放出去，从而使得AGN能够被观测到。不过，大部分星系是没有AGN活性的，直到最近的研究才显示，AGN活性的激发可能是由卫星星系与中央星系发生相互作用时，由于引力矩（即引力对物体转动作用的物理量），使得气体失去角动量而流向黑洞，从而激发了AGN的活动。“韦伯”第一次清楚地揭示了这一细节。



“韦伯”还捕捉到了更清晰、包含更多细节的车轮星系图像。车轮星系距离地球5亿光年，它是一个很罕见的星系结构——由一个大的螺旋星系和一个较小的星系高速碰撞后形成的环星系。这次碰撞改变了两个星系的形状和结构，最终形成今天这个看起来拥有两个环的大车轮：一个明亮的内环和一个五颜六色的外环。它明亮的核心含有大量的热尘埃，最亮的区域是巨大的年轻星团的家园；已经膨胀了约4.4亿年的外环以正在形成的恒星和超新星为主，当这个外环发生膨胀时，它会犁入周围的气体并引发恒星形成。
作为“看”得远的望远镜，“韦伯”还第一次直接拍摄到了太阳系之外行星HIP65426b在四个不同红外光波段镜头下的照片。分析显示，这颗系外行星是一个气态巨行星，意味着没有岩石表面，并不适合生存。这个领域的探索，旨在为今后人类寻找系外家园提供线索。



对于我们最熟悉的太阳系，“韦伯”也提供了新的发现。比如海王星，之前只有NASA的“旅行者2号”探测器和哈勃望远镜分别在1989年和2021年拍摄过两张照片，由于海王星表面有甲烷，在可见光区域中，海王星呈现蓝色。在“韦伯”的红外线波段下，人类第一次看到海王星的真实形态——白色大冰球，冰球表面有冰冷的云层在流动。韦伯还第一次捕捉到了海王星的星环以及海王星14颗已知卫星中的7颗，其中包括比海王星还要亮的最大卫星海卫一。
从2022年7月开始拍摄和数据获取工作，“韦伯”已经为我们展示了宇宙未被看见的诸多细节，令人兴奋与雀跃。相信随着“韦伯”收集工作和科学家研究工作的深入，韦伯终将改写人类认知宇宙的历史。



本文节选自《文明》2023.04月刊

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