詹姆斯·韦伯望远镜将很快寻找“第一道光”

1609 年，伽利略·伽利莱将一架镜头宽度不超过黄瓜片的望远镜指向天空，以解读月球表面的陨石坑。从那时起，望远镜就成为我们了解广阔的未知宇宙的宝贵工具。对夜空的观察激发了人们对银河系和其他远近星系的新理论，因此出现了更好的设备来测试它们。我们已经取得了长足的进步，增加了更大的镜子、涂层、更精致的光学器件，并将望远镜发射到太空。

“天文学是一门古老的学科，但在科学史上的绝大部分时间里，我们的观测范围仅限于夜空中肉眼可见的事物，”德克萨斯大学天文学家凯特琳·凯西 (Caitlin Casey) 说道。“17 世纪望远镜的发展确实具有变革性，它让我们能够越来越深入地观察宇宙。这导致一个又一个谜团的出现；答案是肯定的，但问题更多。”

在伽利略发现薄如黄瓜的透镜四个多世纪后，美国宇航局计划发射有史以来最大、最强大、最受期待的太空望远镜。三十年来，公众已经习惯了通过绕地球运行的哈勃太空望远镜观察太空。詹姆斯·韦伯望远镜被誉为哈勃的科学继任者（其命名存在一些争议），将能够追踪宇宙初期的光，而我们对这一时期知之甚少。

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“这是迄今为止我们完成的最复杂的科学任务，”美国宇航局戈达德太空飞行中心韦伯光学望远镜元件经理李·范伯格 (Lee Feinberg) 说，他在过去二十年一直致力于该天文台的光学研究。

韦伯望远镜比原计划晚了 14 年，超出预算 20 倍，在运往法属圭亚那库鲁航天港的途中遇到了很多障碍。（由于数据线故障，该团队上周将发射日期推迟到 12 月 24 日。）但经过来自 14 个国家的一千多名科学家、技术人员和工程师克服了开发过程中出现的挑战，这架望远镜终于准备好升空寻找“第一束光”，让天文学家比以往任何时候都更接近宇宙大爆炸。

为时间旅行而建造的巨型镜子

光学和成像技术的里程碑让天文学家能够观察宇宙的大量历史。但要了解宇宙的起源，细节仍然模糊不清。

到目前为止，望远镜还无法让我们看到宇宙的第一道光芒，即生命诞生之初恒星发出的光芒。然而，韦伯太空望远镜配备了专门设计用于收集和聚焦微弱光芒的最新技术。

尺寸是解决方案的一部分。轨道天文台将使用一块由轻如羽毛的铍锻造而成的巨型镜子——之所以选择铍，是因为它在极低的温度下也能保持原有的形状。金属和玻璃组装成蜂窝状，跨度超过 21 英尺；18 个六边形镜面可以展开，非常有效地收集光线。“即使按照地面望远镜的标准，这也是一台尺寸不错的望远镜，”亚利桑那大学斯图尔德天文台的 Marcia Rieke 说，她自 1990 年代末以来一直在韦伯项目的工作组任职。

和已经绕地球运行了 31 年的哈勃太空望远镜一样，韦伯望远镜也是卡塞格林反射式望远镜；它使用主镜收集光线并将其聚焦在副镜上，将能量重新反射到其四个最先进的仪器上，包括三个超灵敏的相机，以创建图像。镜子的面积越大，它能收集的光线就越多，从而以更高的分辨率记录暗淡的物体——可以把它想象成增加相机的光圈，里克解释说。当天文学家从 2022 年夏天开始从韦伯面向地球的天线传回数据时，它们将比哈勃和其他现有外太空望远镜拍摄的图像更好。

韦伯望远镜的设计初衷是填补哈勃望远镜留下的空白，甚至更多。例如，哈勃望远镜可以看到 133 亿年前的宇宙，也就是我们宇宙形成后不久。相比之下，韦伯望远镜可以观测更远的宇宙，吸收的光线是哈勃望远镜的六倍多，放大倍数是哈勃望远镜的 100 倍。韦伯望远镜的相机视野也比哈勃望远镜宽 15 倍。（而伽利略望远镜的视野非常狭窄，月球会完全填满它。）

用中红外观察宇宙

詹姆斯·韦伯太空望远镜可以探测到人眼可见光谱范围之外的红外光。这是有原因的：由于宇宙膨胀，来自遥远物体的光会转移到光谱红端的较长波长。此外，新形成的恒星和行星隐藏在吸收可见光的尘埃后面。韦伯的红外望远镜将能够穿透尘埃，揭示尘埃后面的东西。

韦伯望远镜的四台探测仪器中，有三台（一台成像相机和两台不同的近红外光谱仪）覆盖了整个红外波长范围——从 0.6 到 28.8 微米。里克帮助设计了望远镜的近红外相机（简称 NIRCam），并将在其发射后担任首席研究员。有了它，韦伯望远镜将能够从宇宙中未探索的角落拍摄更清晰的图像，捕捉与银河系年龄大致相同的星系的光。

韦伯望远镜的镜子上还衬有一层微小的金层，这种金层反射红外光的能力几乎比任何其他金属都要强。这使得它们的反射率达到 98% 左右（而标准镜子的反射率通常为 85%），这意味着它们可以捕获几乎所有入射光子。“我们选择黄金是出于技术原因，但 [也] 恰好因为它看起来非常有趣，”范伯格说。

里克补充道，韦伯望远镜本质上是一台热探测望远镜。但为了完成任务并捕捉到最微弱的星系迹象，望远镜的某些部分需要极低的温度，否则它只能看到自己的辐射。韦伯望远镜有一个网球场大小的遮阳板——一种由一种名为 Kapton 的材料制成的五层菱形结构——可以隔绝太阳光线，并使其冷却至 -390 华氏度。在这种寒冷程度下，望远镜发出的辐射非常少，不会再干扰其红外摄像机和传感器。

尽管韦伯望远镜经常被称为哈勃望远镜的继任者，但里克表示，韦伯望远镜实际上是斯皮策太空望远镜的更大、更灵敏的兄弟，斯皮策望远镜也具有红外功能。斯皮策望远镜不得不在 2020 年 1 月退役，因为它飞得太远，无法将图像发回地球。它们都是红外天文卫星的继任者，1983 年，红外望远镜成为第一台被送入太空的红外望远镜。

哈勃的不同之处在于，它主要捕捉人类可以看到的那种光，并且只对红外光谱的一小部分敏感，“哈勃不知疲倦地努力寻找更多遥远的星系，”韦伯首席研究员凯西说。“但它的能力真的很有限，因为它无法推动更长的波长。”而且当它确实产生红外图像时，它们通常会受到自身辐射的污染。

天文学最强大的工具

一旦韦伯太空望远镜在距离太空近一百万英里的地方找到永久的栖身之所，它就会变得非常忙碌。

在韦伯望远镜运行的第一年，来自世界各地的一千多支天文学家团队申请了望远镜观测时间，但凯西和罗彻斯特理工学院的杰汉·卡塔特佩共同发起的项目是韦伯望远镜第一年观测中获批的 286 份提案之一。虽然大多数团队的观测时间约为 6 小时，但凯西和卡塔特佩的研究团队（由分布在世界各地的约 50 人组成）获得了 218 小时的观测时间，以进行 COSMOS-韦伯观测，该观测旨在收集大爆炸后不久形成的 50 万个年轻星系的图像。虽然一些观测只观察一臂之遥的针尖大小的天空部分，但凯西表示，他们将在一个普通的夜晚看到一块大小相当于三个满月的天空。

据卡塔尔特佩介绍，他们将寻找显示早期宇宙第一批粒子重新电离的气泡，也就是第一批恒星和星系发出的光撕裂最终充满宇宙的氢原子的那一刻。“我们称之为‘第一道光’，第一颗能够发射光子的恒星，然后能够将[这些能量粒子]送入宇宙，到达我们能看到的地方，”卡塔尔特佩说，并补充说韦伯望远镜最初被称为“第一道光机器”。韦伯还将帮助绘制宇宙中最早的物质，包括仍然神秘而难以捉摸的暗物质。

凯西和卡塔尔特佩的团队最终将通过反复观察附近的天空区域并拼凑早期宇宙历史的更广阔视野来开发深视野。最终，他们将探索恒星、星系和暗物质的分布以及我们宇宙的起源。COSMOS-Webb 团队还将向其他研究人员公开他们的数据。

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由于韦伯望远镜的工作波长为红外线，它还将探测其他恒星周围行星的大气层，寻找水、甲烷和二氧化碳等分子。该望远镜的近红外光谱仪可以一次将来自 100 个星系的光分解成单个波长，方法是使用微型快门——每个快门的宽度与人类头发的宽度相当——只让来自目标的光子进入，而阻挡其他所有光子。该仪器像棱镜一样将光的整个光谱分开，这使研究人员能够筛选遥远世界的环境并了解它们的潜在宜居性。

下一站，太空

现在进入了望远镜研发过程中最为艰难的阶段之一：从法属圭亚那库鲁的航天港发射。

由于詹姆斯韦伯太空望远镜非常庞大，各个部分必须像折纸一样折叠起来，才能装进171英尺乘18英尺的阿丽亚娜5号火箭。与哈勃望远镜不同，韦伯望远镜不会在低轨道上运行。一旦发射到太空，它将需要大约30天的时间才能到达宇宙深处的新位置，然后展开复杂的结构，将镜子对准遥远的星系。机载摄像机会在镜子就位时拍摄不同的序列，以便地球上的团队可以在十亿分之一米的范围内进行调整。“我们需要将传感器的精度控制在光波长的几分之一以内，”范伯格说，“我们已经等待了很长时间才真正做到这一点。”对准过程将需要大约六个月，之后韦伯将开始收集数据。

韦伯望远镜的最佳图像将于 2022 年中期开始出现，但距离该望远镜备受期待的航行时间已不远。该任务的设计寿命为 5 到 10 年，其偏远位置意味着，与哈勃望远镜不同，如果出现任何问题，它都无法修复。因此，它需要开箱即用，完美无缺。在凝视星空十年之后，韦伯望远镜将耗尽燃料，成为价值数十亿美元的太空垃圾——但在此之前，它将永远改变我们看待自己在宇宙中的位置的方式。

“我上小学的时候就开始研究韦伯了，”凯西说。“作为一个最终与地球紧密相连的物种，我们能够窥视宇宙的深处，看到它自己的起源，这真是太不可思议了。这真是太深刻了。”