人類仰望星空的“黃金眼”追尋外星球上的生命

申衛峰

美國當地時間3月16日，美國國家航空航天局（NASA）發布詹姆斯·韋布太空望遠鏡拍攝的一顆恒星的照片，圖像背景中璀璨的古老星系令科學家激動不已。不過，這次發布的恒星照片是在望遠鏡調試過程中拍攝的測試照片，并非正式觀測照片。

NASA當天發表聲明說，截至3月11日，韋布望遠鏡已經完成7個調試步驟中的5個，觀測效果有望達到甚至超出預期目標。預計5月初調試完畢，6月底前后正式“上崗”，并于今夏發布第一張正式觀測照片。屆時，韋布望遠鏡有望探測到宇宙最早形成時的第一批星系發出的亮光，甚至還能幫助人類追尋外星球上的生命，而它未來的發現，很可能將再度改寫教科書。

哈勃“接班人”在太空超低溫條件下拍攝紅外光

1990年4月，NASA向距離地面575公里處發射了哈勃太空望遠鏡（下稱哈勃望遠鏡）。從那時起，這架光學望遠鏡為人類天文學事業提供了很多前所未見的觀測結果。但由于其最初性能不佳，1993年12月，NASA不得不派航天飛機上去維修。

不過，NASA一部分人不看好這樣的維修任務，于是他們牽頭成立了“哈勃太空望遠鏡及未來”委員會，評估維修任務的可行性，以及假如維修失敗，下一代太空望遠鏡的建造問題。然而，維修行動成功了。這個委員會的任務便從研究哈勃望遠鏡替代者轉型為研究更先進的太空望遠鏡。

哈勃望遠鏡主要針對可見光、近紫外線和近紅外波段進行觀測，但太空中很多天體的溫度很低（比如行星或塵埃盤），其發出的光輻射波長很長，屬于紅外光。此外，一些可以追溯到最早星系的古老天體，由于存在很大的紅移，整體光譜也偏向紅外。要完成對這些天體的觀測，需要一種更冷、更大的望遠鏡。

哈勃望遠鏡工作時的溫度一般維持在15℃左右，而韋布望遠鏡為了能觀測設計目標的中紅外線，需要將自身溫度降到零下223℃以下即用液氮或者主動溫控對紅外相機進行制冷。與此同時，由于韋布望遠鏡工作時也會發熱，其產生的熱紅外線將很容易淹沒想要觀測的外界紅外線。因此，科學家為了實現觀測條件，給韋布望遠鏡蓋上了5層厚厚的“遮陽傘”——聚亞胺薄膜。這5層薄膜，每一層面積接近網球場大小，卻只有頭發絲的厚度，每層薄膜兩面鍍鋁，以反射光和熱，最靠近向陽面的兩層薄膜還摻入了硅，可以將太陽光帶來的熱量反射回太空里去。要知道朝向深空和朝向太陽的兩側，溫差極限超過300℃。

按照設計，韋布望遠鏡將被安置在地球第二拉格朗日點上的光暈軌道，圍繞第二拉格朗日點做圓周運動，故而，太陽、月亮、地球都會一直處于韋布望遠鏡的同一側，來自地球和月亮反射的太陽光以及地球和月亮自身的紅外線輻射都可以被這5層遮陽的薄膜所隔絕。而位于該區域還能減少在軌期間燃料用量，并與NASA“深空網絡”天線保持通信。

“鴿王”誕生記耗資100億美元，發射延遲10多年

美國當地時間2021年12月24日，耗資100億美元、連續“放鴿子”10多年后，韋布望遠鏡終于發射升空。

這個被稱為未來10年人類觀察宇宙的理想平臺，由NASA、歐洲航天局和加拿大航天局聯合建造，從1997年開始立項、2004年開始建造，發射時間從最初的2007年，經過多次延遲最終到2021年12月，中途經歷了遮陽薄膜實驗破裂、疫情延期、星箭通信故障等波折，預算投入也從立項時的5億美元，經過10多次的擴充，最終到100億美元——要知道，100億美元可以造大半艘福特級航母了。

韋布望遠鏡總重達6.2噸，由光學和科學儀器、遮陽板以及被稱為“航天器總線”的支持系統等部分組成。其中光學模塊采用“三反射鏡消像散系統”：被主鏡捕捉的紅外線要經過次鏡和三級鏡反射，再由精細轉向鏡傳遞至科學儀器模塊。直徑達6.5米的主鏡是韋布望遠鏡的最亮眼之處，由18塊六邊形鏡片拼接而成，采集光線面積達到其“前任”也是哈勃望遠鏡的5倍以上。次鏡由3個從主鏡正面延伸出來的長臂支撐，三級鏡和精細轉向鏡被安置在主鏡中心凸起的黑色“鼻錐”內。三級反射鏡制造材料均選用低溫下不易收縮變形的金屬鈹，而鏡片表面噴涂了100納米厚的黃金，以優化鏡面反射紅外線的性能。

集成科學儀器模塊位于主鏡背面，包含近紅外相機、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無縫隙光譜儀、中紅外儀等設備，它們將對韋布望遠鏡收集到的光線進行分析成像。再加上前文提到的5層“遮陽傘”，便構成了韋布望遠鏡碩大的體型。

如此碩大的體型，只能以折疊的狀態裝進阿麗亞娜5型火箭的整流罩內，待發射升空后再打開。去年12月24日韋布望遠鏡發射升空，而到了今年1月8日主鏡才完全打開。1月24日，經過一個月的飛行，韋布望遠鏡抵達距離地面約150萬公里的日地系統第二拉格朗日點運行軌道。又經過了10多天的設備校準、調試后，2月11日，NASA宣布，韋布望遠鏡傳回了第一批太空照片，拍攝對象是258光年外大熊星座的一顆恒星。

如今，韋伯望遠鏡再傳回另一顆恒星照片，與此前發回的望遠鏡主鏡18片鏡片分別拍攝的18個圖像不同，這次拍攝的恒星圖像為18片鏡片統一聚焦生成的一個圖像。

參與韋布望遠鏡項目的科學家珍妮·里格比說：“你禁不住會去看它后面數以千計的星系，太美了。”

“黃金眼”重任探尋135億年前宇宙第一批恒星

“哈勃太空望遠鏡在很多方面徹底改變了我們對太空的了解。”韋布太空望遠鏡科學項目副主任卡爾蒂克·謝特表示，“例如，它提供了很多關于星系如何形成和演化的信息，但它主要還是一個光學望遠鏡。雖然哈勃望遠鏡有幾部紅外相機，但它們的靈敏度不夠高，人們需要使用更高靈敏度的紅外設備。由于宇宙膨脹，第一批天體的光線抵達望遠鏡時，已經偏向電磁光譜的紅色一端。韋布太空望遠鏡因此應運而生，它將讓我們看到宇宙很年輕時的景象。”

據NASA介紹，韋布望遠鏡將觀測135億多年前宇宙中第一批恒星——宇宙大爆炸后“第一縷光”是如何誕生的，以及第一批星系怎樣形成的。若韋布望遠鏡探測到第一代星系，結合其他望遠鏡對宇宙不同時期各類星系的觀測，天文學家就能研究星系是如何一步一步成長的，從而描繪出星系演化的完整圖景。

◎ 來源|深圳特區報