韋布空間望遠鏡的觀星之道

詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的宇宙圖像新華社

詹姆斯·韋布空間望遠鏡。資料圖片

詹姆斯·韋布空間望遠鏡示意圖。光明圖片/視覺中國

詹姆斯·韋布空間望遠鏡拍攝的宇宙圖像。新華社發

日前,一批特殊的照片吸引了人們的目光美輪美奐的船底座星雲、“南天指環”星雲、“斯蒂芬五重奏”星系、SMACS 0723星系團深場……這些璀璨奪目照片背後的功臣,是人類迄今爲止最爲先進的空間天文設備——詹姆斯·韋布空間望遠鏡。

韋布是什麼?

一臺巨大的“宇宙相機”

第一次看到詹姆斯·韋布空間望遠鏡(JWST,以下簡稱韋布)的人,也許會感到十分意外——拋開巨大的體積不談,它金黃色的巨大面板棱角分明,還連着一摞奇形怪狀的紫粉色薄膜,似乎和平時我們接觸的望遠鏡相去甚遠。

其實,韋布就像一臺“宇宙相機”:主鏡、副鏡等相當於沒有鏡筒的“鏡頭”,而其他部分則相當於“機身”。金色的六邊形面板是它的主反射鏡,它的直徑爲6.5米,由18個六邊形子鏡拼接而成。之所以要設計成拼接的形式,是因爲它實在太大,必須摺疊後才能放入火箭的艙室內。

如此巨大的鏡面,正是韋布的科學雄心所在。光學定律告訴我們,望遠鏡的口徑越大,捕獲光子效率就越高。天體發射的光子好像傾盆大雨中的雨滴,而更大的望遠鏡口徑就好比用更大的水桶去接雨水,在短時間內就可以產生較高亮度的圖像,從而看見那些遙遠而黯淡的天體。除此之外,更大口徑的鏡面還擁有更高的分辨率,得到的圖像更清晰。這樣一來,我們拍到的天體就有更加豐富的細節

完成一場“太空摺紙”,並不是一件容易的事。韋布的每個子鏡都由金屬鈹製作而成,輕盈、堅固;又鍍了一層極薄的黃金,既有效地反射紅外光,又不易變得暗淡。此外,每一面子鏡都可以自由地改變曲率和指向。經過校準以後,它們會共同組成一個巨大的拋物面,將星光聚攏到副鏡上。爲了合成完美的拋物面,在太空中展開後,微型機械馬達必須將各個子鏡無縫對齊,誤差不能超過頭髮絲直徑的萬分之一,其難度可想而知。

經過層層反射後,星光進入主鏡中央開口後方的“科學儀器模塊”中,在那裡得到進一步的轉換和處理。韋布共攜帶四臺終端科學儀器,它們分別是中紅外儀器(MIRI)、近紅外相機(NIRCam)、近紅外成像儀和無縫光譜儀(NIRISS)、近紅外光譜儀(NIRSpec)。其中,中紅外儀器可以在5~28微米的波長範圍工作,而近紅外的三臺儀器則在約0.6~5微米的波長範圍內工作。相比較而言,人眼看到的光線波長範圍大約僅在0.4~0.8微米範圍,要侷限得多。

像普通相機一樣,中紅外儀器、近紅外相機都可以拍攝圖像,但它們的靈敏度可比商業相機甚至軍用衛星高多了。它們能探測到低至幾納央斯基的流量,假設把一盞兒童睡覺時開的牀頭夜燈放到月球上,從地面上看去,它的亮度都要比韋布的探測極限高二十倍!

在到達相機底片之前,星光還會經過濾光輪,輪上安着十餘種不同的濾光片。這些濾光片各自允許特定波長範圍的光線通過,可以根據電腦指令轉動到底片前方。這樣一來,天文學家拍攝的每一張圖片,就只反映天體在特定波長範圍內的輻射情況。在不同濾鏡下拍攝照片,就能得知天體在各個波長的輻射分佈,從而推斷出天體的性質。將不同濾鏡的照片在計算機裡分別賦予單一顏色,再疊加起來,就得到了我們常看到的色彩斑斕的天文照片。此外,韋布還配備了星冕儀。它可以遮擋明亮的天體,從而讓天體周圍闇弱的背景顯現出來。

但除了拍攝圖像,天文學家更翹首以盼的,是用韋布得到天體的光譜信息太陽光這樣的多色光經過大氣層中的水汽散射後,會產生絢麗的彩虹。光的能量按照波長(或頻率)的這種分佈就叫作光譜。韋布的四臺儀器都可以進行光譜拍攝。原子、分子吸收或發射特定波長的光,會在光譜上有所反映。通過光譜,我們可以知道天體的類型、速度、距離成分等重要信息,從而畫出宇宙中天體的“三維地圖”。

爲何耗資88億美元?

確保韋布拍出最好的照片

2021年12月,韋布望遠鏡搭乘着阿麗亞娜5號火箭,在法屬圭亞那的發射場升空。

這是一場遲到了14年的赴約。早在哈勃空間望遠鏡(HST,以下簡稱哈勃)發射以前,天文學家就開始考慮建造更強大的太空望遠鏡,稱作“下一代空間望遠鏡(NGST)”。最初的計劃僅僅是花費5億美元,建造一臺8米口徑的望遠鏡,並於2007年發射。然而,項目一再擴增和延期。到韋布望遠鏡最終發射時,總投資已經超過100億美元。

韋布延期主要是出於安全方面的考慮。空間望遠鏡出故障的先例不勝枚舉。例如1990年哈勃發射後,天文學家就震驚地發現,它拍攝的圖像都很模糊:原來是鏡片磨製的形狀出了錯誤,沒辦法準確地聚焦光線!直到1993年,航天員駕駛航天飛機到太空中,爲哈勃加裝了一臺“近視眼鏡”,成像才恢復正常。哈勃圍繞着近地軌道運行,出了錯還可以補救;但韋布在地球和太陽的第二拉格朗日點附近運行,繞着太陽公轉,離地球足足有150萬公里,是月球到地球距離的四倍。萬一韋布出現了故障,在它整個“有生之年”內(預期壽命將超過十年),人類都無法親自維修。因此,團隊必須在地面上反覆檢驗,確保萬無一失。

爲什麼要把望遠鏡發射到這麼遠的距離上?進入太空的好處顯而易見:不再有白天黑夜的限制,沒有陰雨天氣影響,避免了大氣層吸收和折射星光……但地球時時刻刻散發着大致相當於室溫的熱量,會讓近地軌道上的航天器溫度上升。對於韋布這樣的紅外探測器來說,是很大的干擾。

一切物體都會發出紅外線新冠肺炎疫情以來,我們也許已經習慣於見到自己在紅外照片裡的樣子了——公共場所的體溫成像儀正是紅外相機最常見的應用。人體會發出紅外線,太陽、地球、遙遠的恆星和星系也是如此。更奇妙的是,紅外線還能夠穿透遮蔽物。在星系中瀰漫着大量微粒,稱爲“星際塵埃”,會阻擋紫外線和可見光,紅外線卻暢通無阻。因此,用紅外線觀測塵埃區有得天獨厚的優勢,能看到塵埃背後發光的天體。

除此之外,那些極其遙遠的星系和星系際介質,發出的光會發生所謂的“紅移”。多普勒效應告訴我們,物體一旦和觀測者相背而行,觀測者看到的波長就會變長。而按照宇宙膨脹理論,遙遠的天體都是在遠離我們的。這樣一來,它們的輻射就會整體向光譜的紅端移動。天體越遠,遠離我們的速度就越快,紅移也就越大。而在遙遠的星系中,有很大一部分的能量本來是在可見光波段發出的。經過紅移之後,這部分能量正好位於韋布探測的紅外波段,因此,韋布也極爲適合探測那些最爲遙遠的天體。

但是,韋布望遠鏡畢竟處在太陽系中,免不了受太陽照射。如果鏡身溫度太高,自身產生的紅外線也會干擾觀測。爲此,韋布配備了被動和主動兩種降溫方式。

朝向太陽的方向,韋布撐起了一把“遮陽傘”——網球場一樣大的聚酰亞胺薄膜。這種材料不足一毫米厚,不僅輕便,而且還能承受很大的溫差。薄膜共有五層,每層上面都鍍了鋁,能很好地反射並隔絕熱量。在面朝太陽的前兩層上,還特別覆蓋了粉紅色的摻雜硅塗層,散熱效率大大提高。

在薄膜朝向太陽的一面,溫度高達110攝氏度;而經過五層薄膜的阻隔,背向太陽的一面足足降到了零下230攝氏度以下。我們常用的護膚霜或遮陽傘“防曬指數”不過50左右,但韋布的遮陽傘“防曬指數”足足達到了100萬,意味着只有百萬分之一的“漏網之魚”。

不過,科學儀器模塊中的儀器對溫度極其敏感,僅靠被動冷卻是不夠的。例如中紅外儀器需要在零下266攝氏度才能正常工作(僅比絕對零度高了7度),這時就需要“低溫冷卻器”登場了。除了先進的冷卻機制外,它也許還是世界上最“靜音”的冰箱——因爲哪怕一點點振動,都會造成災難般的圖像模糊。

韋布要做什麼?

加深人們對宇宙的理解

作爲人類最昂貴、最大、最先進的空間望遠鏡,韋布的主要使命被歸類爲四個領域:宇宙曙光與再電離、不同時期的星系、恆星與原行星系統誕生、行星系統與生命起源

首先,紅外波段適合觀測那些遙遠的天體,韋布的一項重要任務就是了解宇宙的早期歷史。光速是有限的,光線穿過遙遠的距離需要時間。太陽光需要8分鐘才能抵達地球,所以我們在地球上看到的是8分鐘前的太陽;近鄰星系發出的光線需要千萬年才能抵達太陽系,我們看到的也是它們千萬年前的樣子。從這個意義上來說,宇宙就像一座時間展覽館:我們看得越遠,看到的展品就越古老。

我們平時觀測的近鄰星系,紅移基本都在0.1以下;紅移2到3,就被天文學家稱作是高紅移星系,已經相當難以探測了。而韋布預計將看到紅移接近20的初代星系,它們極其遙遠,韋布觀測到的光,是宇宙纔剛剛誕生不到2億年的時候發出的。在韋布發佈的第一批數據裡,天文學家就已經探測到紅移10左右的星系了。更深場的積分甚至有望追溯到宇宙再電離時期,那是宇宙中的第一縷曙光。

其次,韋布能夠直接看到星系中那些誕生恆星的巨大塵埃雲,而這些雲對哈勃等光學望遠鏡而言是不透明的。包括太陽在內的恆星,正是由這樣的星雲坍縮形成,但其具體過程我們卻還未弄懂。不僅如此,韋布甚至能直接看到行星形成過程中存在的原行星盤,從而讓我們更加了解原始行星系的形成。

再次,韋布擁有驚人的分辨率和靈敏度,那麼當它注視那些較近的星系時,必將揭示出細節異常豐富的形態和光譜信息。我們已經知道,星系分爲若干類型,它們的組成成分不同,彼此之間也存在着演化關係。通過巡天獲得大量星系數據,韋布有望回答一系列關鍵問題,例如黑洞如何影響宿主星系、星系的形態是怎麼產生的、化學元素在星系中如何分佈……

最後,太空中是否有其他生命也是韋布的關注點。當系外行星母星前經過時,大氣層中特定的元素將會吸收母星發出的光。韋布探測到這種吸收光譜,便可以得知系外行星的大氣成分。在發佈的首批照片中,天文學家已經證明了一顆系外行星中具有水分子。有朝一日,我們或許會在系外行星大氣中探測到更多“生物印記”——例如甲烷、氧氣等,它們暗示着地外生命存在的可能性。韋布還將調查太陽系內的天體:彗星、小行星、冰衛星等……熟悉了我們的“鄰居”,我們對自己的起源也會有更深的理解。

與韋布同期,中國的空間天文事業也在蓬勃發展。“悟空”號暗物質粒子探測衛星、“慧眼”硬X射線調製望遠鏡衛星等取得了優異成果,中國空間站工程巡天望遠鏡、愛因斯坦探針衛星等一批先進設備也正在籌劃中。然而,我們至今還沒有自己的紅外天文衛星,在天文儀器研發的人才儲備、紅外探測器的工藝,以及設計決策等層面,也都還有一定差距。

如果將宇宙比作一座寶庫,韋布的首批照片只不過是站在大門口的一瞥。在接下來的太空之旅中,韋布必將向人類展示宇宙的更多珍寶。我們也更希望有朝一日能看到中國自己的紅外空間望遠鏡翱翔天際,向太空投去屬於我們的目光。

(作者:劉豐源,系中國科學院國家天文臺碩士研究生)