韦布空间望远镜周年：它为何如此卓越

返朴
2022-12-31 18:41

本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：王善钦

2022 年 12 月 14 日，《自然》杂志将詹姆斯・韦布空间望远镜的项目科学家 Jane Rigby 评选为 2022 年度 10 人之首，理由是她推动“韦布”成功运行。次日，《科学》杂志将“韦布”的成功运行列为 2022 年度十大科学突破之首。发射至今仅一周年的“韦布”获得了哪些重要成果，以至于它与推动它的科学家获得如此殊荣？它为何会如此强大？它的成功对我们有什么启迪意义？本文将试图回答这些问题。

2022 年 12 月 14 日，《自然》（Nature）杂志公布了 2022 年度时代人物（Nature’s 10），[1] 位列榜首的是詹姆斯・韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，以下简称为韦布，除非原文直接引用）的项目科学家、天体物理学家 Jane Rigby。

《自然》杂志给 Jane Rigby 的称号是“天空猎手”（Sky hunter），并称她为“开拓性的天文学家”。她入选的原因是“在使詹姆斯・韦布空间望远镜进入太空并正常工作、为研究宇宙提供了巨大的新能力方面扮演了关键角色。”[1]

图：Nature’s 10 的网页截图。图片来源：[1]

2022 年 12 月 15 日，《科学》（Science）杂志列出了 2022 年度十大科学突破，位列第一的是韦布的成功运行。[2][注 1] 相关网页顶端为韦布主镜面的一部分的艺术图。

图：《科学》杂志介绍 2022 年度十大科学突破的网页顶端截图。图片来源：[2]

韦布与推动它的天文学家获得的荣誉是韦布获得巨大成功的一个佐证。那么，发射至今仅一周年的韦布获得了哪些重要成果，以至于它与推动它的科学家获得如此殊荣？它为何会如此强大？它的成功对我们有什么启迪意义？

图：韦布的艺术想象图。图片来源：[3]

韦布获得了什么成果？

从 2021 年 12 月 25 日升空开始，韦布已经在太空中度过了整整一年时间。在这一年时间里，地面上的科学家们先用约半年时间让它实现了轨道转移、几百个操作与测试。此后，韦布进入观测状态，天文学家将它获得的第一批观测数据处理为图像，于 2022 年 7 月 11 与 12 日先后公布。

这批图像包括：星系团 SMACS J0723.3-7327 所在的天区的长时间曝光照片、系外行星 WASP-96b 的母恒星 WASP-96 的光变曲线与透射光谱图、南环状星云的图像、5 个星系构成的“斯蒂芬五重奏”（Stephan's Quintet）的图像、船底座星云的一片区域（NGC 3324）的图像。我们此前已经介绍过这批结果，此处不再赘述，有兴趣的读者可点击阅读《百亿美元投资获回报：韦布空间望远镜的第一批照片有多强？》。

第一批图像的品质与清晰度既满足了公众的审美，更满足了专业的天文学家的要求，证明了韦布的卓越性能。可以说，韦布出道即巅峰。在这个巅峰之后，韦布并未走下坡路，而是在不同的领域继续攀登新的巅峰。

我们可以分领域简单总结第一批成果与至今获得的新成果。

在“深场”领域，韦布观测了不同的天区，拍摄到众多高红移（远距离）星系，其中一些星系的距离打破此前由“哈勃”观测到的最远距离星系保持的记录。对这些星系的深入研究将直接深化人类对早期宇宙内星系性质的认识。韦布在这方面的成功让人们相信它有望发现宇宙第一代星系与第一代恒星，它们形成于宇宙大爆炸之后大约 1-2 亿年。

图：韦布在当年“哈勃超级深场”（Hubble Space Telescope’s Ultra Deep Field）项目观测的区域进行观测后得到的红外深场伪色图。韦布的近红外光谱仪（NIRSpec）获得了其中一些星系的光谱，图中给出了其中 4 个星系的红移：13.20、12.63、11.58 与 10.38。在红移为 13.20 时，宇宙年龄不足 4 亿年。图片来源：[4]

在星系领域，韦布拍摄了“斯蒂芬五重奏”、车轮（Cartwheel）星系、活动星系 NGC 7469 等星系的图像。对这些星系的观测与研究为人们了解这些星系内的恒星、气体与尘埃分布等信息提供了重要依据。

图：由韦布的近红外相机获得的数据合成的 NGC 7469 的伪色图，明显的核心使其图像出现了明显的衍射芒。图片来源：[5]

在星云领域，韦布拍摄了南环状星云、船底座星云、狼蛛星云、猎户座星云与“创生之柱”的图像。这些观测为天文学家深入研究中小质量恒星演化末期、胚胎阶段的恒星（“原恒星”）及其周围相对冷的尘埃与气体盘的性质等课题提供了重要支持。

图：由韦布的近红外相机获得的数据合成的“创生之柱”的伪色图（左）与由韦布的中红外设备获得的数据合成的“创生之柱”的伪色图（右）。图片来源：[6]

在太阳系内天体领域，韦布观测了木星、火星、海王星与土卫六等天体系统。韦布得到的图像证实了它在这方面的能力也超过了预期，未来韦布对太阳系内天体的观测将深化人们对它们的性质以及太阳系起源的认识。

图：由韦布的近红外相机获得的数据合成的海王星系统的伪色图。图中显示出海王星的多层环与 14 颗卫星中的 7 颗：海卫一（Triton）、海卫六（Galatea）、海卫三（Naiad）、海卫四（Thalassa）、海卫五（Despina）、海卫八（Proteus）与海卫七（Larissa）。由于海卫一呈点状且较亮，因此衍射效应导致的六角芒很明显。图片来源：[7]

在系外行星（太阳系外的行星）领域，韦布用凌星法拍摄了系外行星 WASP-96b 的母恒星 WASP-96 的光变曲线与透射光谱图，并用直接成像法拍摄了系外行星 HIP 65426 b 的图像。分析表明，韦布用直接成像法探测行星的能力是预期的 10 倍。虽然韦布不是第一个、更不是唯一能用这种方法拍摄系外行星图像的望远镜，但它在红外观测方面的独特优势是其他众多望远镜不具备的。将来韦布对系外行星的观测将有望帮助人们确认类似于地球的系外行星。

图：韦布的近红外相机（NIRcam）与中红外设备（MIRI）拍摄的系外行星 HIP 65426 b 在 3.067 微米、4.397 微米、11.307 微米与 15.514 微米 4 个波段上的图像（下方小图，依次由左到右）。大图为数字化巡天（DSS）拍摄的恒星 HIP 65426 所在的天空的中的群星。图片来源：[8]

在超新星领域，韦布在 2022 年发现了 4 颗超新星。[注 2] 在当前各种大视场望远镜激烈竞争的局面下，视场很小的韦布根本来不及发现那些近距离超新星就会被其他望远镜抢先，因此它发现的几乎只能是非常远的超新星，它们的特点是暗到其他口径相对小的望远镜无法及时发现。韦布在未来可以发现更多极远距离的超新星。[注 3]

韦布为何会如此强大？

韦布的巨大成功来自自身主镜与仪器的先进功能，以及过去众多望远镜研制过程中提供的正面经验与反面教训。

首先，韦布的主镜与仪器非常先进。它的口径（6.5 米）远大于此前的“哈勃”的口径（2.4 米）以及斯皮策红外空间望远镜（“斯皮策”）的口径（0.85 米）。

图：从上到下分别显示了“斯皮策”、“哈勃”与韦布的大小。虽然图中的韦布的直径被标记为 6.6 米，但其等效口径为 6.5 米。图片来源：[9]

因此，在观测同样的红外波段时，韦布的分辨率比“哈勃”与“斯皮策”高得多。正因为口径大得多，韦布观测同样目标、获得同样品质的图像需要的观测时间就短得多，因此效率高得多。

图：左与右分别是“斯皮策”上的红外阵列相机（IRAC）与韦布的中红外设备（MIRI）拍摄的大麦哲伦云（大麦云，LMC）星系内的一片区域的图像。二者观测波长几乎完全一样（8.0 微米 vs 7.7 微米），但韦布的图像的分辨率显然远超过“斯皮策”的分辨率。图片来源：[10]

韦布远离地球，它具有 5 层防护罩且其中的红外设备携带额外的制冷机，因此可观测的波长极限（28 微米）远超过哈勃可观测的波长极限（不超过 2.5 微米），因此可以发现“哈勃”无法发现的众多对象，如深藏于星云中的原恒星。

图：在韦布得到的船底座星云部分区域的近红外图像中，天文学家找到了此前未被“哈勃”等望远镜发现的二十多个喷流与外流。图中圈出的区域都被放大后置于右方。这些区域都显示出分子氢外流（molecular hydrogen outflows），区域 2 还显示出喷流（jet）与弓形激波（bow shock）。图片来源：[11]

其次，在韦布之前，人类已发射了大量空间望远镜，这些望远镜覆盖了电磁波除射电波段之外的所有波段：伽玛射线、X 射线、紫外线、光学（可见光）、红外线与微波。[注 4] 以红外空间望远镜为例，早在 1983 年，人类就发射了“红外天文卫星（The Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是人类历史上第一个红外空间望远镜。这些空间望远镜尤其是红外空间望远镜的研制与发射过程中积累的技术为韦布提供了大量正面经验。

图：IRAS 的艺术想象图。图片来源：[12]

以技术借鉴为例，韦布上的中红外设备（MIRI）采用的制冷机模式，“哈勃”的 NICMOS 在 2002-2008 年间就应用过；韦布的镜面镀上黄金薄层，增强反射率，此前的“红外空间望远镜”（The Infrared Telescope in Space，IRTS）与 Akari 卫星用过这个方案；韦布用铍铸造镜坯，以提高硬度、温度适应性并降低重量，此前“斯皮策”望远镜采用了这个方案。

图：在执行 X 射线和低温测试之前，波尔航天公司（Ball Aerospace）首席光学测试工程师 Dave Chaney 检查韦布的主镜面中的 6 片。图片来源：[13]

除了借鉴上述源自空间望远镜的方案之外，韦布还借鉴了地面大望远镜的多镜面拼接技术。这个技术是地面上 10 米级光学望远镜普遍采用的方案，一些 6-8 米级望远镜也使用这个方案。它也是未来的 30-40 米级地面光学望远镜的主流方案之一。因此我们可以说韦布是站在巨人肩膀上的巨人。

图：韦布的主镜面由 18 块正六边形镜面拼接而成，每块镜面的边长约为 0.75 米，面积约为 1.4 平方米，18 块镜面的总面积为 25.4 平方米，拼接成等效口径约为 6.5 米的镜面。图片来源：[14]

韦布强大的第三个因素在于充分吸收了过去一些教训，尤其是“哈勃”的惨痛教训。当年工程师磨“哈勃”的主镜时的轻微偏差，导致“哈勃”的镜面无法精准聚光，从而导致所有仪器都受到影响，这不仅让 NASA 在后来付出了上亿美元的代价修复“哈勃”，长期牺牲一个仪器占位（用于安装光学校正器 COSTAR），还使哈勃的性能在 1990 年-1993 年的 3 年间受到了很大负面影响。直到 1993 年年底，NASA 的宇航员执行了维修计划，才让“哈勃”一雪前耻、直接封神。

图：1993 年 12 月，NASA 的宇航员 Story Musgrave 与 Jeffrey Hoffman 在太空中维修“哈勃”。图片来源：[15]

“哈勃”的几年失败期使韦布的研发团队无比谨慎，韦布的发射日期也一再推迟，其预算一路攀升到 100 亿美元。这样的谨慎是必须的，因为韦布的轨道高度比“哈勃”轨道高度高几千倍，达到 100 多万千米，比月球还远得多。一旦韦布出了问题，完全不可能派人上去维修。从韦布升空到开始工作，它必须在地面工程师的遥控下执行 344 个关键步骤，任何一个步骤出错都将宣告它的死亡。这样的谨慎与耐心为韦布出道即巅峰打下了最坚实的基础。

韦布强大的第四个因素在于工程师与科学家们又发展了大量新技术。韦布的复杂程度远超过此前所有的红外空间望远镜，实际上它的复杂程度超过了所有望远镜，是人类至今为止最复杂的设备之一。

图：韦布上面的近红外相机（上）与中红外设备（下）。图片来源：[16]

由于它的复杂性，人们不可能仅拼凑此前的一些技术来实现目标，而需要不断发展新的技术。从它内部所有的仪器的设计与制造，到 5 层遮阳罩的设计、制造、折叠与展开，到望远镜主体部分的折叠与展开，到各镜面对焦，等等，所有这些过程都充满挑战性，因此让全世界最聪明的一部分工程师与科学家们耗费了大量的智慧与心血。

图：工程师与技术人员检查韦布的 5 层遮阳罩。图片来源：[17]

韦布有什么启迪意义？

韦布的成功不仅是它自身的成功，也大大激励了人们对其他空间望远镜项目的信心。更重要的是，它的成功会在多个方面启迪我们。

韦布的成功首先告诉所有有志于获得重大成果的人与团队一个最简单的道理：足够的耐心、细心与智慧是获得重大成果的基本要求。不仅韦布如此，此前的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）亦是如此，好几代物理学家与工程师前仆后继，终于使它成为世界上第一个探测到引力波的仪器。

图：LIGO 位于 Livingston 与 Hanford 的两个设备在地面上的部分的外观。图片来源：[18]

韦布的成功也进一步证明了大科学（Big Science）的价值。过去一百多年来，与观测与实验有关的科学研究需要付出的代价越来越大，为之服务的团队也越来越庞大，一个实验室涉及几百人甚至几千人的情况已不鲜见，这使得科学走向了大科学的时代。

在激烈的科技竞争中，不同的国家面临着艰难的抉择：是选择风险小而稳妥的项目，还是选择风险大而收益高的大科学项目？这对一个国家科技领域的决策形成了挑战。韦布的成功让人们对充满风险也充满希望的大科学项目更有信心。

韦布的成功还为后面更宏大的目标树立了标杆。将来人们可以用更好的载具发射更大的红外空间望远镜与观测其他波段的空间望远镜。

我们期望韦布在未来十年获得的数据能够重塑人类对太阳系内天体和太阳系的形成机制的认识，加深人类对系外行星与地外生命、星系、各类天体的形成与爆发以及宇宙自身的认识。我们更希望将来会有比韦布更强大的望远镜遨游太空，让人类的知识体系进一步升华。

图：人类看到 Webb 的最后一眼。图片来源：[19]

注释

[注 1]《科学》杂志公众号的中文文章（https://mp.weixin.qq.com/ s / I6kBfXwS24dDSG3le65zWg）称韦布为“NASA 的明星级新型太空望远镜”，这是不严谨的说法，因为韦布并不是美国国家航空航天局（NASA）独自拥有的，而是由 NASA、欧洲空间局（ESA）与加拿大空间局（CSA）共同投资建设的。

[注 2] 韦布于 2022 年 6 月 22 日发现超新星 AT2022owj，这是它发现的第一颗超新星。

[注 3] 例如，它发现的 AT 2022qmm 在被发现时的星等是 24.1 等，远暗于其他大多数望远镜能够观测到的极限（一般不暗于 21 等）。

[注 4] 人们没有发射射电望远镜到太空的原因是：大多数射电望远镜在地面上基本不受大气影响，少数要求很高的射电望远镜在干燥的高原荒漠区也会工作地很好。此外，射电望远镜需要更大得多的口径才可以得到与光学望远镜同等的分辨率，而在此前与当前，发射几十米口径的射电望远镜到太空是不现实的。

参考文献 / 图片来源

[1]https://www.nature.com/immersive/d41586-022-04185-3/index.html
[2]https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022#section_breakthrough
[3] Northrop Grumman
[4]IMAGE: NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI)，SCIENCE: Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration
[5] ESA/Webb, NASA & CSA, L. Armus, A. S. Evans
[6] SCIENCE: NASA, ESA, CSA, STScI，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)（左）；SCIENCE: NASA, ESA, CSA, STScI，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Alyssa Pagan (STScI)（右）
[7]IMAGE: NASA, ESA, CSA, STScI，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Naomi Rowe-Gurney (NASA-GSFC)
[8]DSS；NASA/ESA/CSA, A. Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI)
[9] IMAGE: STScI，3D MODEL: NASA, ESA, STScI
[10] NASA / JPL-Caltech（左）, NASA / ESA / CSA / STScI（右）
[11]NASA, ESA, CSA, STScI，SCIENCE: Megan Reiter (Rice University)，IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI)。
[12]NASA/JPL
[13]NASA/MSFC/David Higginbotham
[14]NASA
[15]NASA
[16] Lockheed Martin（上）；Science and Technology Facilities Council（下）
[17] Northrop Grumman Aerospace Systems
[18]https://www.ligo.caltech.edu/LA
[19] NASA, ESA

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