空間望遠鏡追尋古老星光

陶愷

2022年9月日，詹姆斯·韋布空間望遠鏡首次拍攝到了一顆系外行星的直接圖像

9月1日，美國國家航空航天局（NASA）稱，一向被調侃為“鴿王”的詹姆斯·韋布空間望遠鏡，這回沒有失約，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，質量是木星的6～12倍。作為氣態巨行星，它并不適宜居住，但這次拍攝的目的及價值，顯然并非尋找哪個適合星際移民的“替代星”，而是一次對宇宙輪廓的再度張望。

拍攝“直接圖像”，也并非想象中快門一按那樣簡單。事實上，早在2017年，天文學家便通過地面望遠鏡發現了這顆行星的存在，但由于地球大氣散發紅外輻射干擾，行星的細節無法在拍攝畫面中呈現出來。而身處太空的韋布望遠鏡，能夠利用配備了日冕儀的近紅外相機、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第二任局長詹姆斯·韋布

對于探索宇宙的漫漫征程來說，韋布空間望遠鏡的這次拍攝算得上振奮人心。“我們甚至還可能發現以前不知道的行星?！必撠焾D像分析的美國加利福尼亞大學圣克魯斯分校博士后阿林·卡特表示。

這架造價高昂、歷經坎坷的空間望遠鏡，終于開始向“宇宙尋寶”邁出了堅定的步伐。

張望宇宙的眼睛

大眾對“空間望遠鏡”最初的了解，始于1990年發射升空的哈勃空間望遠鏡。

在空間望遠鏡之前，人類對宇宙的了解是相對被動且局限的。一方面，受技術限制，人類大大小小的探測器都不能飛出太陽系，抵達太陽系之外的宇宙，“研究”成了圍繞著地球的“類地研究”，方法也大多數是“找規律”和“算算數”：透過大氣層觀察某個恒星的顏色及其他信息，計算它的溫度、年齡，與地球之間的距離等等。如果觀測中發現了規律性的亮度變化，還可以推導出是否有固定的行星定期從恒星前面飛過……

這些旁觀、計算與猜測，隔著以光年計的厚厚“窗戶紙”，看起來頗有“人類一敗涂地”的窘迫之感。而窘迫之外，更大的問題在于，宇宙的奧秘或許并不難以挖掘，它就寫在一個個星星的“臉上”：如果人類想了解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，以時間、距離為尺度，陳列著所有秘密。只要參觀者看得仔細、走得夠遠，就能找到更多的答案。

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

哈勃空間望遠鏡的升空改變了這一切。人類從圖形扭曲的“水面”伸出了眼睛，從被動接收宇宙信號變為“張眼看世界”，宇宙也不再只是科學家們演算紙上的抽象數字，而變成了一幅幅更立體、更動人的星光。

2019年，哈勃望遠鏡公布了一張包含26.5萬個星系的宇宙照片。這張在官網上可供所有人下載、每個可見光點都可以放大查看星系全貌的照片，不僅是目前為止最詳細的“宇宙快照”，更是一扇沒有門檻的大門，以精彩絕倫的往日星光吸引著普通民眾對宇宙最初的向往。

宇宙的奧秘或許并不難以挖掘，它就寫在一個個星星的“臉上”。

2017年4月13日，美國馬里蘭州，正在調試中的詹姆斯·韋布太空望遠鏡

昂貴繼任者

哈勃空間望遠鏡在太空服役的30年間，地面的探測科技也取得了一些進步，最重磅的便是用自適應光學技術，修正了被地球大氣層扭曲的可見光—這讓地面天文臺拍攝的照片清晰度能夠超越哈勃。

但無論是哈勃還是地面望遠鏡，短板都是顯而易見的：地面探測縱然可以修正可見光，但被大氣層吞掉的紅外線、紫外線、X光沒辦法復原;哈勃服役太久，身上的硬傷很多，修補、維護需要昂貴的投入和復雜的調度，更重要的是，哈勃的設置有點跟不上人類探秘的腳步了。

哈勃空間望遠鏡以捕捉可見光見長。但在拍攝出宇宙基本的樣貌、帶來震撼人心的圖片之后，還有隱藏在可見光之下、與周圍光芒相比略顯黯淡的群星等待著被看見和研究—這些，需要望遠鏡可以捕捉紅外線。

紅外線可以穿過宇宙大部分的星云與星系，通過紅外光成像，更古老的宇宙、更遙遠的星系才能被我們看到。如果說哈勃望遠鏡看到的是成年的宇宙，那么如今，需要一個專攻紅外線的“繼任者”，帶領地球上的人類看見嬰兒時期的宇宙。

雖然科學家們早早認識到了紅外線空間望遠鏡的重要性，早在1996年便開始準備打造且定在了2007年發射，但一切并沒有想象中那樣容易，有關這臺望遠鏡的預算也一路飆升，從5億美元到了100億美元。

望遠鏡以NASA第二任局長詹姆斯·韋布的名字命名—但命名其實是發生在2002年的事情了。從那時開始，項目方案幾度被推翻，2005年，更是一切要重新設計，并最終花費了11年，將韋布空間望遠鏡制造完成。

從2016年開始，韋布空間望遠鏡又進入了漫長的檢測調試階段—這臺望遠鏡的最終使命，是去往距離地球150萬千米的“拉格朗日L2點”張望宇宙。那是載人航空器無法到達的地方，也意味著如果發生任何錯誤、故障，韋布沒有任何被修補的可能，只能直接報廢。

近三年的調試時間里，韋布狀況不斷：防光罩脫落、細節故障……2020年，新冠疫情暴發，發射計劃又因人類社會的種種被延遲。

2021年12月25日，歷時25年、耗資100億美元、占用了NASA自有計劃以來全部預算1/4的韋布空間望遠鏡，作為哈勃空間望遠鏡的繼任者，終于在“鴿”了數次之后，成功升空。

哈勃太空望遠鏡環繞地球運行

只要其中一個在運輸、展開的途中出現問題，25年光陰和100億美元將就地蒸發。

“星星都死去了，你今天才能在這里”

升空并非終結。

因為韋布空間望遠鏡的鏡面設計要求為6.5米口徑，遠超火箭發射的尺寸限制，科學家選擇將其折疊，進入太空后再展開。這些極薄的六邊形鏡子與遮光板一起被折疊再展開，本身即意味著巨大的風險。據統計，韋布“全身上下”有多達344個故障點，且全部沒有多余備份—只要其中一個在運輸、展開的途中出現問題，25年光陰和100億美元將就地蒸發。

幸運的是，一切在如履薄冰的操作中正常展開。今年1月24日，韋布順利進入拉格朗日L2點運行軌道;3月11日，韋布完成了最后一輪鏡片微調，并傳回了第一張校準時拍攝的清晰照片—這意味著它已經開始進入工作狀態。

好消息不斷傳來。

7月12日，韋布空間望遠鏡工作以來的第一批正式圖像發布。在“韋布深場圖”中，能夠看到正中心、位于飛魚座的星系團，它們與地球相距50億光年;在它周圍五顏六色的小斑點，是宇宙早期的星系—此前，人類的望遠鏡并不能捕捉到它們的身影。如今，韋布通過長時間的觀測、積累它們發出的光子，最終呈現出它們的輪廓。

8月24日，韋布捕捉到了太陽系外行星WASP-39b大氣中存在二氧化碳的第一個明確證據。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，縱然因為離太陽過近顯得太過熾熱，可能無法真的承載生命，但這份新發現已足以令人興奮。

9月1日，韋布首次拍攝到了一顆系外行星的直接圖像……

面對浩瀚的宇宙，雖然人類及其制造的工具顯得太過渺小，但韋布的成功升空與正常運行，確實給了渺小的人類一次窺探的機會，能夠無限接近可觀測宇宙的初始，到這座博物館更深遠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?！币晕拿鞯那诿?、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，都還在不斷努力。

特約編輯姜雯 jw@nfcmag.com