韦布空间望远镜的观星之道

　　作者：刘丰源（中国科学院国家天文台硕士研究生）
　　日前，一批特殊的照片吸引了人们的目光：美轮美奂的船底座星云、南天指环星云、斯蒂芬五重奏星系、SMACS0723星系团深场这些璀璨夺目照片背后的功臣，是人类迄今为止最为先进的空间天文设备詹姆斯韦布空间望远镜。
　　詹姆斯韦布空间望远镜拍摄的宇宙图像。新华社发
　　詹姆斯韦布空间望远镜。资料图片
　　詹姆斯韦布空间望远镜拍摄的宇宙图像。新华社发
　　韦布是什么？
　　一台巨大的宇宙相机
　　第一次看到詹姆斯韦布空间望远镜（JWST，以下简称韦布）的人，也许会感到十分意外抛开巨大的体积不谈，它金黄色的巨大面板棱角分明，还连着一摞奇形怪状的紫粉色薄膜，似乎和平时我们接触的望远镜相去甚远。
　　其实，韦布就像一台宇宙相机：主镜、副镜等相当于没有镜筒的镜头，而其他部分则相当于机身。金色的六边形面板是它的主反射镜，它的直径为6。5米，由18个六边形子镜拼接而成。之所以要设计成拼接的形式，是因为它实在太大，必须折叠后才能放入火箭的舱室内。
　　如此巨大的镜面，正是韦布的科学雄心所在。光学定律告诉我们，望远镜的口径越大，捕获光子的效率就越高。天体发射的光子好像倾盆大雨中的雨滴，而更大的望远镜口径就好比用更大的水桶去接雨水，在短时间内就可以产生较高亮度的图像，从而看见那些遥远而黯淡的天体。除此之外，更大口径的镜面还拥有更高的分辨率，得到的图像更清晰。这样一来，我们拍到的天体就有更加丰富的细节。
　　完成一场太空折纸，并不是一件容易的事。韦布的每个子镜都由金属铍制作而成，轻盈、坚固；又镀了一层极薄的黄金，既有效地反射红外光，又不易变得暗淡。此外，每一面子镜都可以自由地改变曲率和指向。经过校准以后，它们会共同组成一个巨大的抛物面，将星光聚拢到副镜上。为了合成完美的抛物面，在太空中展开后，微型机械马达必须将各个子镜无缝对齐，误差不能超过头发丝直径的万分之一，其难度可想而知。
　　经过层层反射后，星光进入主镜中央开口后方的科学仪器模块中，在那里得到进一步的转换和处理。韦布共携带四台终端科学仪器，它们分别是中红外仪器（MIRI）、近红外相机（NIRCam）、近红外成像仪和无缝光谱仪（NIRISS）、近红外光谱仪（NIRSpec）。其中，中红外仪器可以在528微米的波长范围内工作，而近红外的三台仪器则在约0。65微米的波长范围内工作。相比较而言，人眼看到的光线波长范围大约仅在0。40。8微米范围，要局限得多。
　　像普通相机一样，中红外仪器、近红外相机都可以拍摄图像，但它们的灵敏度可比商业相机甚至军用卫星高多了。它们能探测到低至几纳央斯基的流量，假设把一盏儿童睡觉时开的床头夜灯放到月球上，从地面上看去，它的亮度都要比韦布的探测极限高二十倍！
　　在到达相机底片之前，星光还会经过滤光轮，轮上安着十余种不同的滤光片。这些滤光片各自允许特定波长范围的光线通过，可以根据电脑指令转动到底片前方。这样一来，天文学家拍摄的每一张图片，就只反映天体在特定波长范围内的辐射情况。在不同滤镜下拍摄照片，就能得知天体在各个波长的辐射分布，从而推断出天体的性质。将不同滤镜的照片在计算机里分别赋予单一颜色，再叠加起来，就得到了我们常看到的色彩斑斓的天文照片。此外，韦布还配备了星冕仪。它可以遮挡明亮的天体，从而让天体周围暗弱的背景显现出来。
　　但除了拍摄图像，天文学家更翘首以盼的，是用韦布得到天体的光谱信息。太阳光这样的多色光经过大气层中的水汽散射后，会产生绚丽的彩虹。光的能量按照波长（或频率）的这种分布就叫作光谱。韦布的四台仪器都可以进行光谱拍摄。原子、分子吸收或发射特定波长的光，会在光谱上有所反映。通过光谱，我们可以知道天体的类型、速度、距离、成分等重要信息，从而画出宇宙中天体的三维地图。
　　为何耗资88亿美元？
　　确保韦布拍出最好的照片
　　2021年12月，韦布望远镜搭乘着阿丽亚娜5号火箭，在法属圭亚那的发射场升空。
　　这是一场迟到了14年的赴约。早在哈勃空间望远镜（HST，以下简称哈勃）发射以前，天文学家就开始考虑建造更强大的太空望远镜，称作下一代空间望远镜（NGST）。最初的计划仅仅是花费5亿美元，建造一台8米口径的望远镜，并于2007年发射。然而，项目一再扩增和延期。到韦布望远镜最终发射时，总投资已经超过100亿美元。
　　韦布延期主要是出于安全方面的考虑。空间望远镜出故障的先例不胜枚举。例如1990年哈勃发射后，天文学家就震惊地发现，它拍摄的图像都很模糊：原来是镜片磨制的形状出了错误，没办法准确地聚焦光线！直到1993年，航天员驾驶航天飞机到太空中，为哈勃加装了一台近视眼镜，成像才恢复正常。哈勃围绕着近地轨道运行，出了错还可以补救；但韦布在地球和太阳的第二拉格朗日点附近运行，绕着太阳公转，离地球足足有150万公里，是月球到地球距离的四倍。万一韦布出现了故障，在它整个有生之年内（预期寿命将超过十年），人类都无法亲自维修。因此，团队必须在地面上反复检验，确保万无一失。
　　为什么要把望远镜发射到这么远的距离上？进入太空的好处显而易见：不再有白天黑夜的限制，没有阴雨天气影响，避免了大气层吸收和折射星光但地球时时刻刻散发着大致相当于室温的热量，会让近地轨道上的航天器温度上升。对于韦布这样的红外探测器来说，是很大的干扰。
　　一切物体都会发出红外线。新冠肺炎疫情以来，我们也许已经习惯于见到自己在红外照片里的样子了公共场所的体温成像仪正是红外相机最常见的应用。人体会发出红外线，太阳、地球、遥远的恒星和星系也是如此。更奇妙的是，红外线还能够穿透遮蔽物。在星系中弥漫着大量微粒，称为星际尘埃，会阻挡紫外线和可见光，红外线却畅通无阻。因此，用红外线观测尘埃区有得天独厚的优势，能看到尘埃背后发光的天体。
　　除此之外，那些极其遥远的星系和星系际介质，发出的光会发生所谓的红移。多普勒效应告诉我们，物体一旦和观测者相背而行，观测者看到的波长就会变长。而按照宇宙膨胀理论，遥远的天体都是在远离我们的。这样一来，它们的辐射就会整体向光谱的红端移动。天体越远，远离我们的速度就越快，红移也就越大。而在遥远的星系中，有很大一部分的能量本来是在可见光波段发出的。经过红移之后，这部分能量正好位于韦布探测的红外波段，因此，韦布也极为适合探测那些最为遥远的天体。
　　但是，韦布望远镜毕竟处在太阳系中，免不了受太阳照射。如果镜身温度太高，自身产生的红外线也会干扰观测。为此，韦布配备了被动和主动两种降温方式。
　　在朝向太阳的方向，韦布撑起了一把遮阳伞网球场一样大的聚酰亚胺薄膜。这种材料不足一毫米厚，不仅轻便，而且还能承受很大的温差。薄膜共有五层，每层上面都镀了铝，能很好地反射并隔绝热量。在面朝太阳的前两层上，还特别覆盖了粉红色的掺杂硅涂层，散热效率大大提高。
　　在薄膜朝向太阳的一面，温度高达110摄氏度；而经过五层薄膜的阻隔，背向太阳的一面足足降到了零下230摄氏度以下。我们常用的护肤霜或遮阳伞防晒指数不过50左右，但韦布的遮阳伞防晒指数足足达到了100万，意味着只有百万分之一的漏网之鱼。
　　不过，科学仪器模块中的仪器对温度极其敏感，仅靠被动冷却是不够的。例如中红外仪器需要在零下266摄氏度才能正常工作（仅比绝对零度高了7度），这时就需要低温冷却器登场了。除了先进的冷却机制外，它也许还是世界上最静音的冰箱因为哪怕一点点振动，都会造成灾难般的图像模糊。
　　韦布要做什么？
　　加深人们对宇宙的理解
　　作为人类最昂贵、最大、最先进的空间望远镜，韦布的主要使命被归类为四个领域：宇宙曙光与再电离、不同时期的星系、恒星与原行星系统诞生、行星系统与生命起源。
　　首先，红外波段适合观测那些遥远的天体，韦布的一项重要任务就是了解宇宙的早期历史。光速是有限的，光线穿过遥远的距离需要时间。太阳光需要8分钟才能抵达地球，所以我们在地球上看到的是8分钟前的太阳；近邻星系发出的光线需要千万年才能抵达太阳系，我们看到的也是它们千万年前的样子。从这个意义上来说，宇宙就像一座时间展览馆：我们看得越远，看到的展品就越古老。
　　我们平时观测的近邻星系，红移基本都在0。1以下；红移2到3，就被天文学家称作是高红移星系，已经相当难以探测了。而韦布预计将看到红移接近20的初代星系，它们极其遥远，韦布观测到的光，是宇宙才刚刚诞生不到2亿年的时候发出的。在韦布发布的第一批数据里，天文学家就已经探测到红移10左右的星系了。更深场的积分甚至有望追溯到宇宙再电离时期，那是宇宙中的第一缕曙光。
　　其次，韦布能够直接看到星系中那些诞生恒星的巨大尘埃云，而这些云对哈勃等光学望远镜而言是不透明的。包括太阳在内的恒星，正是由这样的星云坍缩形成，但其具体过程我们却还未弄懂。不仅如此，韦布甚至能直接看到行星形成过程中存在的原行星盘，从而让我们更加了解原始行星系的形成。
　　再次，韦布拥有惊人的分辨率和灵敏度，那么当它注视那些较近的星系时，必将揭示出细节异常丰富的形态和光谱信息。我们已经知道，星系分为若干类型，它们的组成成分不同，彼此之间也存在着演化关系。通过巡天获得大量星系数据，韦布有望回答一系列关键问题，例如黑洞如何影响宿主星系、星系的形态是怎么产生的、化学元素在星系中如何分布
　　最后，太空中是否有其他生命也是韦布的关注点。当系外行星从母星前经过时，大气层中特定的元素将会吸收母星发出的光。韦布探测到这种吸收光谱，便可以得知系外行星的大气成分。在发布的首批照片中，天文学家已经证明了一颗系外行星中具有水分子。有朝一日，我们或许会在系外行星大气中探测到更多生物印记例如甲烷、氧气等，它们暗示着地外生命存在的可能性。韦布还将调查太阳系内的天体：彗星、小行星、冰卫星等熟悉了我们的邻居，我们对自己的起源也会有更深的理解。
　　与韦布同期，中国的空间天文事业也在蓬勃发展。悟空号暗物质粒子探测卫星、慧眼硬X射线调制望远镜卫星等取得了优异成果，中国空间站工程巡天望远镜、爱因斯坦探针卫星等一批先进设备也正在筹划中。然而，我们至今还没有自己的红外天文卫星，在天文仪器研发的人才储备、红外探测器的工艺，以及设计决策等层面，也都还有一定差距。
　　如果将宇宙比作一座宝库，韦布的首批照片只不过是站在大门口的一瞥。在接下来的太空之旅中，韦布必将向人类展示宇宙的更多珍宝。我们也更希望有朝一日能看到中国自己的红外空间望远镜翱翔天际，向太空投去属于我们的目光。
　　《光明日报》（2022年08月04日16版）