空间望远镜追寻古老星光

陶恺

2022年9月日，詹姆斯·韦布空间望远镜首次拍摄到了一颗系外行星的直接图像

9月1日，美国国家航空航天局（NASA）称，一向被调侃为“鸽王”的詹姆斯·韦布空间望远镜，这回没有失约，首次拍摄到了一颗系外行星的直接图像。

这颗被命名为“HIP 65426 b”的系外行星，是一颗年轻的星球，质量是木星的6～12倍。作为气态巨行星，它并不适宜居住，但这次拍摄的目的及价值，显然并非寻找哪个适合星际移民的“替代星”，而是一次对宇宙轮廓的再度张望。

拍摄“直接图像”，也并非想象中快门一按那样简单。事实上，早在2017年，天文学家便通过地面望远镜发现了这颗行星的存在，但由于地球大气散发红外辐射干扰，行星的细节无法在拍摄画面中呈现出来。而身处太空的韦布望远镜，能够利用配备了日冕仪的近红外相机、中红外仪器遮挡恒星光芒，即便HIP 65426 b 比身边围绕的恒星要黯淡一些，韦布空间望远镜也能够在群星璀璨之间找到它，为它拍摄出清晰的“证件照”。

NASA第二任局长詹姆斯·韦布

对于探索宇宙的漫漫征程来说，韦布空间望远镜的这次拍摄算得上振奋人心。“我们甚至还可能发现以前不知道的行星。”负责图像分析的美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校博士后阿林·卡特表示。

这架造价高昂、历经坎坷的空间望远镜，终于开始向“宇宙寻宝”迈出了坚定的步伐。

张望宇宙的眼睛

大众对“空间望远镜”最初的了解，始于1990年发射升空的哈勃空间望远镜。

在空间望远镜之前，人类对宇宙的了解是相对被动且局限的。一方面，受技术限制，人类大大小小的探测器都不能飞出太阳系，抵达太阳系之外的宇宙，“研究”成了围绕着地球的“类地研究”，方法也大多数是“找规律”和“算算数”：透过大气层观察某个恒星的顏色及其他信息，计算它的温度、年龄，与地球之间的距离等等。如果观测中发现了规律性的亮度变化，还可以推导出是否有固定的行星定期从恒星前面飞过……

这些旁观、计算与猜测，隔着以光年计的厚厚“窗户纸”，看起来颇有“人类一败涂地”的窘迫之感。而窘迫之外，更大的问题在于，宇宙的奥秘或许并不难以挖掘，它就写在一个个星星的“脸上”：如果人类想了解5年前的宇宙，就可以观察5光年外的星星;如果想了解1亿年前的宇宙，观察一颗1亿光年外的恒星就可以了。宇宙这座巨大的博物馆，以时间、距离为尺度，陈列着所有秘密。只要参观者看得仔细、走得够远，就能找到更多的答案。

但从前使用的射电望远镜没办法做到这些。射电望远镜的工作方式是在地球的地表收集恒星发出的电磁波信号，以此勾勒它们的轮廓，但恒星发出的短波信号—红外线、可见光等，很容易被包裹地球的大气层干扰或彻底吸收。用射电望远镜观测宇宙，如同在水中望向陆地，模糊、失真，也难以真的“望远”。射电望远镜时代，人类的观测范围甚至无法突破百亿光年。

哈勃空间望远镜的升空改变了这一切。人类从图形扭曲的“水面”伸出了眼睛，从被动接收宇宙信号变为“张眼看世界”，宇宙也不再只是科学家们演算纸上的抽象数字，而变成了一幅幅更立体、更动人的星光。

2019年，哈勃望远镜公布了一张包含26.5万个星系的宇宙照片。这张在官网上可供所有人下载、每个可见光点都可以放大查看星系全貌的照片，不仅是目前为止最详细的“宇宙快照”，更是一扇没有门槛的大门，以精彩绝伦的往日星光吸引着普通民众对宇宙最初的向往。

宇宙的奥秘或许并不难以挖掘，它就写在一个个星星的“脸上”。

2017年4月13日，美国马里兰州，正在调试中的詹姆斯·韦布太空望远镜

昂贵继任者

哈勃空间望远镜在太空服役的30年间，地面的探测科技也取得了一些进步，最重磅的便是用自适应光学技术，修正了被地球大气层扭曲的可见光—这让地面天文台拍摄的照片清晰度能够超越哈勃。

但无论是哈勃还是地面望远镜，短板都是显而易见的：地面探测纵然可以修正可见光，但被大气层吞掉的红外线、紫外线、X光没办法复原;哈勃服役太久，身上的硬伤很多，修补、维护需要昂贵的投入和复杂的调度，更重要的是，哈勃的设置有点跟不上人类探秘的脚步了。

哈勃空间望远镜以捕捉可见光见长。但在拍摄出宇宙基本的样貌、带来震撼人心的图片之后，还有隐藏在可见光之下、与周围光芒相比略显黯淡的群星等待着被看见和研究—这些，需要望远镜可以捕捉红外线。

红外线可以穿过宇宙大部分的星云与星系，通过红外光成像，更古老的宇宙、更遥远的星系才能被我们看到。如果说哈勃望远镜看到的是成年的宇宙，那么如今，需要一个专攻红外线的“继任者”，带领地球上的人类看见婴儿时期的宇宙。

虽然科学家们早早认识到了红外线空间望远镜的重要性，早在1996年便开始准备打造且定在了2007年发射，但一切并没有想象中那样容易，有关这台望远镜的预算也一路飙升，从5亿美元到了100亿美元。

望远镜以NASA第二任局长詹姆斯·韦布的名字命名—但命名其实是发生在2002年的事情了。从那时开始，项目方案几度被推翻，2005年，更是一切要重新设计，并最终花费了11年，将韦布空间望远镜制造完成。

从2016年开始，韦布空间望远镜又进入了漫长的检测调试阶段—这台望远镜的最终使命，是去往距离地球150万千米的“拉格朗日L2点”张望宇宙。那是载人航空器无法到达的地方，也意味着如果发生任何错误、故障，韦布没有任何被修补的可能，只能直接报废。

近三年的调试时间里，韦布状况不断：防光罩脱落、细节故障……2020年，新冠疫情暴发，发射计划又因人类社会的种种被延迟。

2021年12月25日，历时25年、耗资100亿美元、占用了NASA自有计划以来全部预算1/4的韦布空间望远镜，作为哈勃空间望远镜的继任者，终于在“鸽”了数次之后，成功升空。

哈勃太空望远镜环绕地球运行

只要其中一个在运输、展开的途中出现问题，25年光阴和100亿美元将就地蒸发。

“星星都死去了，你今天才能在這里”

升空并非终结。

因为韦布空间望远镜的镜面设计要求为6.5米口径，远超火箭发射的尺寸限制，科学家选择将其折叠，进入太空后再展开。这些极薄的六边形镜子与遮光板一起被折叠再展开，本身即意味着巨大的风险。据统计，韦布“全身上下”有多达344个故障点，且全部没有多余备份—只要其中一个在运输、展开的途中出现问题，25年光阴和100亿美元将就地蒸发。

幸运的是，一切在如履薄冰的操作中正常展开。今年1月24日，韦布顺利进入拉格朗日L2点运行轨道;3月11日，韦布完成了最后一轮镜片微调，并传回了第一张校准时拍摄的清晰照片—这意味着它已经开始进入工作状态。

好消息不断传来。

7月12日，韦布空间望远镜工作以来的第一批正式图像发布。在“韦布深场图”中，能够看到正中心、位于飞鱼座的星系团，它们与地球相距50亿光年;在它周围五颜六色的小斑点，是宇宙早期的星系—此前，人类的望远镜并不能捕捉到它们的身影。如今，韦布通过长时间的观测、积累它们发出的光子，最终呈现出它们的轮廓。

8月24日，韦布捕捉到了太阳系外行星WASP-39b大气中存在二氧化碳的第一个明确证据。这颗距离地球700光年、大气中混合着二氧化碳、甲烷和水蒸气等“生命要素”的星球，纵然因为离太阳过近显得太过炽热，可能无法真的承载生命，但这份新发现已足以令人兴奋。

9月1日，韦布首次拍摄到了一颗系外行星的直接图像……

面对浩瀚的宇宙，虽然人类及其制造的工具显得太过渺小，但韦布的成功升空与正常运行，确实给了渺小的人类一次窥探的机会，能够无限接近可观测宇宙的初始，到这座博物馆更深远的地方寻找自己想要的答案。

“方法有限，所知甚少，但宇宙充满玄妙，我们必须破解。”以文明的勤勉、努力追逐百亿年前的星光，回答自己“何以至此”的命题，韦布和人类，都还在不断努力。

特约编辑姜雯 jw@nfcmag.com