2022年度科学突破之首探索古老星系的黄金眼

　　在我们的周围，还存在着一个充满不可见能量的世界，我们对此只是略知皮毛。所以我希望，在超越感官的领域中探索那些熠熠生辉的不可见光时，我们能够一起丰富自己的知识，增添一点智慧。
　　——[美]鲍勃·伯曼《看不见的光》
　　2022年12月16日，美国《科学》杂志公布了一项年度科学突破冠军以及九项年度科学突破入围奖，它们是一年里最重大的科学发现、科学进展和趋势。其中，NASA的明星级新型太空望远镜——詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST，以下简称韦布望远镜）被评选为2022年的年度科学突破之首。
　　《科学》杂志点评道，在经历了无数次挫折、长达20年的研发、超过100亿美元的高昂费用和150万千米的漫长旅行之后，韦布望远镜终于张开了它的红外黄金之眼，让我们以前所未有的方式一窥我们的宇宙，以及宇宙深邃的历史。
　　经历了诸多波折后，
　　一架新的太空望远镜令人惊叹的首次亮相；
　　图源：Science
　　一个令人惊叹的奇迹
　　2022年7月11日，距离韦布望远镜被送入太空已有七个月之久，此时，在白宫的现场直播中，无数人期待着韦布望远镜传回的图像。当这项奇迹般的发明传回第一张图像，在场所有人都发出惊呼，图像覆盖的天区非常狭小，仅相当于你展开手臂，观察手指上的一粒沙子。然而，这粒沙子般大小的天区，竟有上千个类似银河系的星系簇拥在一起，其中一些星系甚至还是130亿年前的样子，那是宇宙大爆炸最初几亿年的光景。人类从未离宇宙的诞生如此之近，简直令人难以置信。
　　这是有史以来进入太空的最复杂的科学任务，从概念诞生到开始建造，再到组装测试并最终发射，韦布望远镜项目历时20余年。来自十多个国家的数千名科学家和工程技术人员投身其中，累计工作时长约4000万小时，耗资高达100亿美元。
　　韦布望远镜传回地球的第一批数据和图像表明，这一切都是值得的。天文学家在接受《科学》杂志采访时表示，它们＂美丽＂＂令人兴奋＂。有人说，韦布望远镜让人类戴上红外眼镜，重新看到了宇宙。
　　韦布望远镜拍摄的第一张全彩色图像；
　　图源：NASA，ESA，CSA和STSCI
　　哈勃望远镜的继任者
　　韦布望远镜不是第一个飞向深空的望远镜，大名鼎鼎的哈勃望远镜早在1990年便开始了它的升空之旅。由于地球大气层的影响，通过地面望远镜观测太空时，大气中的气体分子会阻挡很多不同波长的辐射，比如臭氧层会吸收紫外线、二氧化碳等气体能吸收一部分红外线。移动的空气也会让恒星闪烁不清，对观测造成过多影响。天文学家便设想，若能将望远镜移到太空中，便可以不受大气层的干扰得到更精确的天文资料。
　　哈勃望远镜显示出太空望远镜的巨大威力，自从1990年进入太空以来，它已经成为最多产的天文望远镜之一，它的数据催生了2.2万多篇论文。它主要关注的是可见光和紫外波段，同时具有观测较短近红外光的能力（观测波长在200纳米到2.4微米之间），有助于人类研究星系演化、银河系、太阳系和系外行星等。
　　不过，紫外波段的光还不足以让人类观测到早期宇宙，虽然宇宙中最早的恒星和星系刚刚形成时，会在紫外线和可见光波段发出最亮的光，但随着宇宙膨胀，光在太空中穿越数十亿年后，会被拉伸成红外光。因此，红外光提供了早期时代的最佳视角。早在哈勃望远镜升空之前，天文学家就开始计划它的继任者。下一次，他们想要一个带有红外线眼睛的望远镜。
　　韦布NIRcam相机拍摄的Carina星云西北角的恒星形成区NGC3324的彩色图像；
　　图源：MIT Technology Review, Volume 125
　　灵敏的红外线眼睛
　　美国航天局介绍，韦布望远镜将以＂前所未有＂的分辨率观测近红外至中红外波段光线，以补充哈勃望远镜、斯皮策空间望远镜以及其他美国航天任务的天文发现。
　　不同于紫外线和可见光，波长较长的红外线能绕过尘埃，可以让望远镜近距离捕捉天体，看到隐藏在尘埃云背后的现象。对于韦布望远镜，更重要的任务是近距离看到早期宇宙万物，寻找135亿多年前的宇宙中诞生的第一批星系。随着宇宙持续膨胀，天体发出的光波被拉长。在光谱中，紫外线、可见光、红外线的波长依次增加，于是早期发光天体发出的紫外线和可见光朝光谱中红端移动，最终以红外线的形式抵达近地空间，这种现象被称为＂红移＂。红外望远镜最有可能捕捉到早期宇宙辐射经历上百亿年游历后，抵达太阳系的红外线。
　　红外线观测也给韦布望远镜提出了更高要求，在物理学中，凡是高于绝对零度（即-273.15℃）的物质都可以产生红外线。太阳系中，太阳释放出大量红外线，是最大的红外干扰源，韦布望远镜需要一个巨大的遮光罩遮挡太阳系红外线，让它能够＂暗中观察＂。最终，韦布望远镜采用5层镀铝的聚酰亚胺（Kapton）薄膜，每层薄膜厚度比头发丝的直径还要小，制作成有网球场那么大的巨大遮阳伞，挡住了超过99%的太阳辐射。
　　韦布NIRcam和MIRI相机拍摄的位于南天球船帆座的南环星云彩色图像。左图是近红外图像，右图是中红外图像；
　　图源：NASA，ESA，CSA和STSCI
　　一波三折的研制过程
　　韦布望远镜的研制过程远不止＂遮阳＂这一个难关。早在1989—1994年间，NASA的研发团队就提出了测量红移的太空望远镜概念设计方案，计划耗资5亿美元，建造一个4米直径的红外望远镜，于2007年发射。
　　NASA于2003年下拨资金支持韦布望远镜的设计工作，2005年又将发射时间推迟到了2013年。到2010年，韦布望远镜项目建造预算已大大超过原来的预期，甚至已经影响到其他空间项目的立项。2011年美国国会有议员建议终止项目。尽管如此，NASA仍设法使研制工作继续进行。
　　2011年，NASA评审通过设计制造方案后，项目终于转入最终制造阶段，然而制造组装过程也并不顺利。望远镜的建造组装后，科学家开展广泛的测试，发现很多问题，不得不将发射日期推迟至2019年。2018年，由于太阳遮罩在测试组装期间撕裂，审查中发现了344个潜在的故障点，发射时间又一次推迟。随后的新冠疫情，使测试工作在2020年几乎处于暂停状态。
　　北京时间2021年12月25日下午8:20，在法属圭亚那的ESA库鲁基地，负责运送韦布望远镜的阿丽亚娜5号火箭终于顺利升空。这比原定于2007年发射的计划足足晚了14年！
　　韦布空间望远镜的艺术想象图。左边与右边的背景分别代表深场观测与系外行星观测；图源：ESA
　　遥远又古老的宇宙密码
　　除了探索＂宇宙黑暗时代＂后的第一缕曙光，韦布望远镜还肩负着其他三类任务：研究星系在宇宙学时标上的形成和演化、恒星及其行星系统的形成和演化、太阳系外行星。在太空中进行了为期约7个月的调试后，韦布望远镜没有令科学家失望，不断给天文学界带来新的数据和意想不到的惊喜。
　　今年9月，韦布望远镜对一颗系外行星进行了观测，这是一颗名叫HIP 65426 b的年轻巨行星，质量是木星的7倍。大多数系外行星都淹没在母恒星的强烈亮度中，迄今为止，只有大约20颗系外行星被相机捕捉到。但是韦布望远镜阻挡了恒星的眩目的光芒，在四个不同的波长上对HIP 65426 b进行了成像，为行星系统的形成提供重要线索。
　　第一张系外行星的直接图像，年轻的巨行星HIP 65426 b；图源：NASA，ESA，CSA和STSCI
　　外星人的电话号码
　　韦布望远镜用它独特的红外观测技术为天文学界开启了一段新征程，还有人认为此次探测深空的项目能让我们探测到地外文明。如今，我们还不知道外星信号会以什么形式传输出来，或许是微波，或许是长波，还可能不是电磁波。
　　我们假设外星人发射的是无线电波，与可见光不同，无线电波很容易朝着各个方向发射。有些人认为，外星人发射的可能是红外线波段上的光；还有些人认为，每天在空中突然出现并常常持续几秒钟的超级神秘的γ射线爆发，可能就来自遥远星系中外星人集中发出的高功率广播信息流。
　　有趣的是，地外信号随时都会出现在我们周围，但因为它们无法用肉眼捕捉，我们时常会忽略这些＂看不见的光＂。因此，美国著名天文学作家鲍勃·伯曼在《看不见的光》这本书中，以他的专业视角和风趣幽默的笔触，为大众娓娓道来人类如何发现了这些不可见光，又如何让它们为我们所用。
　　你可能很难想象，人类在19世纪才刚刚学会利用电磁波，而现在它们不仅在科学领域大发异彩，还深刻改变了普通人日常的生活方式。你将通过这本书了解它们的发现趣史，认识很多性格各异的科学家，听到很多有趣的科学故事，也将了解这些＂看不见的光＂能为人类带来什么便利，又隐藏着什么危险。