韦伯望远镜，人类最贵的眼睛

向治霖

对天文行业以及它的爱好者来说，在2021年的圣诞节这天，他们收到的最好的礼物，是韦伯望远镜发射升空。

“韦伯望远镜”是个坊间称呼，更专业的、由天文学名词审定委员会审定采纳的中文名，其实是“韦布空间望远镜”。

据媒体报道，2021年12月25日，通过号称是世界上最可靠的重型运载火箭之一的Ariane 5，凭借法属圭亚那库鲁航天中心低维度带来的高自转速度，韦伯望远镜飞向了它的征程。

这是一趟令人期待的旅途。

上世纪90年代初，空间望远镜中最具盛名的哈勃望远镜发射升空，在至今30年时间内，它完成了近150万次对太空的科学观察，展现了诸如类星体环境、遥远星云等人类此前从未目睹的景象。韦伯望远镜，则被寄予了哈勃望远镜“继任者”的期望。

不过，它又与哈勃望远镜截然不同。

2022年1月9日，天文学家通过控制释放机构，经过50次主要部署，已经将韦布空间望远镜中、由18块六边形镜片组成的主镜完全打开。它就像是一只眼睛，正在缓缓地张开。

在预计半年时间的调整工作后，它将注目于广袤苍穹，望向那一片引得人类遐想了几千年的无际宇宙。

更高更远

比起哈勃望远镜，韦伯望远镜最大的不同之处，在于其可观测的无线电波长。

哈勃望远镜“杂而全”，可观测的光谱，从紫外线、可见光，一直到红外线以上。韦伯望远镜“专而精”，仅仅可观测红外线频段的无线电。

这不是缺陷，而是进步。

为了更全面地理解这一次征途，我们不妨回顾“仰望星空”的历史。

历史上第一个使用望远镜的人，据记载是伽利略。16世纪初，伽利略从荷兰商人处得知，当两片凸透镜贯在一起时，能够望得更远。荷兰商人并不知道其中价值，但伽利略立刻动起手来，制作了最早的望远镜，对准月亮。

由此，伽利略开启了现代天文学，在这一阶段，望远镜能够观测的只有可见光。

由伽利略到牛顿，是我们熟知的历史，闲话少叙，让我们直接进入20世纪。

这一阶段，天文观测的手段进步迅猛，在美国威尔逊山，有着当时世界最大的反射望远镜，口径达到2.5米。

望远镜的口径，可以简单地理解为相机的光圈。我们知道，光圈越大，意味着接收更多的光，那么照片也就越明亮、清晰。望远镜也是同理。

在普通人看来，望远镜无非是“一饱眼福”的工具，口径的大与小，无非是张望的距离远与近的差别。

不过，这对天文学家来说，用途完全不同。他们通过望远镜，测定星球的远近与位置，描绘出星空的三维地图。

最早的测绘办法，是三角测距，也就是所谓“视差法”。距离太阳最近的比邻星“半人马α星”，就是通过视差法测得，这个距离是4.3光年。使用视差法，能够测定500光年内的空间距离，但对于更大的尺度，它就无能为力了。

但人类总想要望得更远。

视差法以外的空间尺度，后来被验证，可以用光度方法确定。天文学家们发现，恒星的视觉亮度、距离与本身的光度，三者存在特定的关系。视觉亮度可以在地球测得，只要再通过光谱分析，相对地测定恒星的亮度，我们就能够算出距离。

以此，人类的眼界扩展到10万光年的空间距离。

到现在为止，不难发现，我们仍然在依靠可见光观测。不过，等到“光谱分析”出现在天文观测的历史舞台，它将会大大拓展人类对星空的观测边界。

我们知道，光谱波长的由短到长，分别有伽马射线、X射线、紫外线、可见光波、红外线和无线电波，而在20世纪以前，我们所依靠的可见光波，只是天体发射的电磁波中极少的一部分。

那么，我们能不能捕捉到不可见的电磁波，从而观测广大尺度的天体呢？

上世纪90年代初，空间望远镜中最具盛名的哈勃望遠镜发射升空，在至今30年时间内，它完成了近150万次对太空的科学观察，展现了诸如类星体环境、遥远星云等人类此前从未目睹的景象。韦伯望远镜，则被寄予了哈勃望远镜“继任者”的期望。

当这一设想成功之时，天文观测进入了射电望远镜的时代。1924年，无线电行业的人员发现，当发射电波的波长小于40米时，电波就能够穿过大气层不被吸收。反过来同理，一部分电磁波能够逃过大气层中的电离层，被地面的人们捕捉。

捕捉宇宙电波进行观测的技术，在二战之后成为天文学中最有活力的新领域。但是，在地面等候幸存的电波，就像是单靠运气的“守株待兔”，有没有更好的办法呢？没错，你一定想到了，我们能够将射电望远镜送到大气层的上空去。

绕过大气层，直接在相对地球静止的轨道上捕捉电波的望远镜，就是空间望远镜。

“前辈”哈勃

空间望远镜的历史，可以追溯至1946年天文学家莱曼·斯皮策的故事。

他在论文《在地球之外的天文观测优势》中表示，在太空中的天文台有两项优于地面天文台的性能。首先，角分辨率（物体能被清楚分辨的最小分离角度）的极限将只受限于衍射，而不是由造成星光闪烁、动荡不安的大气所造成的视象度。

在当时，以地面为基地的望远镜解析力只有0.5-1.0弧秒，相较下，只要口径2.5米的望远镜就能达到理论上衍射的极限值0.1弧秒。

其次就是上文提到的，在太空中的望远镜，可以观测被大气层吸收殆尽的红外线和紫外线。

半个世纪后的今天，韦伯望远镜成功发射。

对此，天文爱好者们欢呼的同时，也无不戏谑地说，“鸽子王”终于飞走了。这是因为，韦伯望远镜最早预备在2010年前后发射，然而，相关进展一拖再拖，晚了整整10年。

虽然韦伯望远镜的发射计划常“放鸽子”，但它并不是“鸽子王”。它的前辈哈勃望远镜，从立项到发射用了40多年，这才是拖延症中的真正王者。

但这一切是值得的。1990年，哈勃望远镜发射升空，距离地面大约540公里高度。在大气层之上，哈勃望远镜用它直径2.4米的镜头“深情凝视”遥远的宇宙，为我们揭开了许多遥远星系的秘密。

我们现在知道的许多宇宙学奇观，都是哈勃望远镜带来的。

例如“上帝之眼”，从图片资料中看去，它是一个蔚蓝色瞳孔与白眼球的四周透色的眼睑，和眼睛很像。事实上，这是位于水瓶星座里的、编号为NGC7293的行星状星云。哈勃太空望远镜发现了一颗滚烫的“橄榄球”状系外行星。

再例如，通过哈勃望远镜，人类第一次看见“濒死”的行星。2019年8月，一颗滚烫的“橄榄球”状系外行星被拍到。这颗行星因为距离恒星太近而被撕扯、加热，大气也正在加速逃逸，整颗行星处于被吞噬的边缘。这个奇观又被称为“死亡拥抱”。

更重要的是，哈勃望远镜拓展了我们对“时间”的视野，让我们看见目前最古的宇宙样貌。

2020年1月，一个国际天文学家团队利用美国哈勃太空望远镜发现了迄今已知的最遥远、最古老的星系群。这个三重星系群被称为EGS77。观测表明，这个三重星系群参与了宇宙初期被称为“再电离”的改造过程。EGS77大约诞生于宇宙大爆炸后6.8亿年时，当时宇宙年龄还不足现今138亿岁的5%。

哈勃望远镜战功赫赫，以上写到的，不过是最被人熟知的几个奇观。

然而，不得不接受的是，航天器终究有报销退役的一天。

2010年，哈勃望远镜最后一次接受维护，在此之后，由于美国航天器的退役，以及对维护人员的安全考虑，它再也无法被修复。

如今又过了11年，据NASA消息，哈勃望远镜上用于维持稳定的6个陀螺仪坏了3个，整个机身“垂垂老矣”，它将随时可能返回大气层，从此退役。

还好，作为它的继任者，韦伯望远镜终于发射上岗了。

又一只“眼睛”

韦伯望远镜，是哈勃的继任者，也无疑是它的加强版。

按照传统的性能参数，最基本的一项是，韦伯望远镜的反射镜面直径达到了6.5米，更大的面积可以收集更多光线。这也意味着，它能看到更远、更暗淡的星光。

还记得吗？韦伯望远镜仅仅接收红外线频段，根据我们对电磁波的认识，这意味着，它将看到更精密的、更古老的宇宙图景。

如此一路看下来，20世纪至今，科技突飞猛进。地面的科技“内卷”不休，好在航天科技“初心不改”，没有忘记去寻找星辰大海边际的旅途。

这趟旅途的目的地，则是构建完整的现代宇宙学。因而，在详细介绍韦伯望远镜之前，让我们再次回到20世纪。

天文观测这一领域，从最初就和宇宙学结缘。伽利略时代，通过手中小小的望远镜，伽利略推翻了几千年来“天圆地方”的宇宙构想。20世纪，人们愈发认识到，真正的宇宙似乎无边无涯。

虽然韦伯望远镜的发射计划常“放鸽子”，但它并不是“鸽子王”。它的前辈哈勃望远镜，从立项到发射用了40多年，这才是拖延症中的真正王者。

1912年，美国天文学家斯莱弗正在研究河外星系，发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随着研究素材的积累，他得出结论，几乎所有的河外星系，都有“红移效应”。根据多普勒效应解释，这些星系都在离地球远去。

1929年，美国天文学家哈勃总结工作，提出了“哈勃定律”：星系的紅移量与它们离地球的距离成正比。形象地说，宇宙就是一个膨胀的气球，且越在外层的、膨胀速度越快。没错，哈勃望远镜所纪念的，就是这位提出了宇宙模型的科学家。

因为“气球”模型，宇宙从人们以为的“万古如长夜”，变得热闹起来了。宇宙既然是越来越大的，那么，将时间往前推，它应该越来越小。可是，证据在哪里？

证据就在无线电中。根据“大爆炸”学说，宇宙不断地膨胀，温度不断下降，各类元素开始形成。但是，原初辐射与物质元素脱离耦合后仍保持黑体谱。也就是说，宇宙最初的那次爆炸，遗留下遍存于宇宙的碎片，它们表现为“宇宙微波背景辐射”。

研究“宇宙微波背景辐射”，正是韦伯望远镜的最重要的任务。

据NASA消息，它将调查作为大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射），观测今天可见宇宙的初期状态。它能接收早期星系发射的红外光，观察135亿年前宇宙大爆炸几亿年后形成的第一批恒星和星系。

这个项目本来启动于1996年，起初称为“下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope）”，2002年改为现名，以纪念美国国家航天局的次任局长詹姆斯·韦布在阿波罗计划中发挥的关键性领导作用。

正因延期，韦伯望远镜捕捉微弱无线电的配置得到加强。比起哈勃望远镜仅仅540公里的轨道，这一次，韦伯望远镜直接登陆150万公里的卫星轨道，以此减少月球和地球的热辐射干扰。

它是有史以来，人类最贵的一双眼睛。

不过，要等到这双眼完全睁开，还需要等待约半年时间。大概在2022年6月前后，韦伯望远镜将正式启动。

它将传回怎样的照片？值得期待。