韋伯太空望遠鏡的秘密：它是怎樣開啟了天文新時代的？

人類之所以獨一無二，是因為我們總能找到一種超越人類極限的方法。

編者按：最近，耗時幾十年耗資百億美元打造的韋伯太空望遠鏡終於披露了第一批圖像。絢麗的太空景象以及來自 130 億年前宇宙誕生之初的信號確實令人震撼。但是，韋伯是如何捕捉到這些景象的呢？它又能幫助我們回答哪些問題？天文學的下一個時代又有哪些值得期待的地方呢？本文為你揭秘。文章來自編譯。

哈勃捕捉到的天鷹星雲創生之柱的圖像對比。左圖為捕捉到的可見光圖像。右圖為紅外攝影圖像，可穿透大量模糊塵埃大氣，讓我們看到一個不那麼熟悉的創生之柱。來源：NASA, ESA/哈勃及 Hubble Heritage Team

如果你站在時代廣場眺望天空，想要認出一顆星星的話，作為一名紐約人，我會說你很蠢。

為了捕捉到哪怕是最微弱的一瞥驚鴻，你也必須眯著眼睛，排除熒光路燈、閃爍的廣告牌、跳動的股市行情等照明的干擾物。你最好乘火車到北部一百英裡左右的地方。去到那裡之後，觀星就不再費功夫了。無論你喜不喜歡，令人嘆為觀止的璀璨星河都會籠罩著你。

但即便去到最深、最黑暗、最遙遠的地方，你永遠也無法用肉眼看到每一顆星星。哪怕是用你最喜歡的，現成的光學望遠鏡，你在視野之內也無法發現所有的星系、星雲、系外行星、類星體——這份清單我還可以繼續列下去。在你的視野之外，還有數不清的宇宙現象。只是我們人類的眼睛的構造，並不能看見它們發出的光。那種光叫紅外光。

也就是說，有很多的太空寶物我們是看不見的。不過，幸運的是，這並不意味著它們超出了我們的能力范圍。

正如斯蒂芬·霍金曾經說過的那樣，人類之所以獨一無二，是因為我們總能找到一種超越人類極限的方法。我們“用我們的頭腦和我們的機器”來做到這一點。確實，經過這些年的努力，天文學家已經開發出極好的紅外探測解決方法——最終為 NASA 的詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）鋪平了道路。

突破人類的限制

像 NASA 的哈勃（Hubble）與斯皮策（Spitzer）這樣預算高昂的太空望遠鏡已經發現了一些宇宙的紅外秘密。這些太空望遠鏡內置了可對太空中這種難以捉摸的光進行掃描的儀器，在收集到紅外線之後，再將這些信息轉化為人類瞳孔可以理解的信號。而這反過來，又能讓我們能夠看到宇宙當中許多肉眼往往看不見的東西。

下圖是我們宇宙當中光線最微弱的一批星系，是由哈勃的紅外探測器發現的。

哈勃通過紅外探測鏡頭看到的那些著名的深場圖像。那些亮點不是星星。每一個亮點都是一個完整的星系。圖片由 NASA、ESA 與 R. Thompson（亞利桑那大學）提供

不過，如果說這些大型望遠鏡是天文學紅外探測系列劇的第一集和第二集的話，那麼 NASA 強大的新型韋伯太空望遠鏡（JWST）就是全新的一季，7 月 12 號，這個太空望遠鏡拍攝的第一組完整圖像剛剛發布。

JWST 的紅外探測能力要比哈勃和斯皮策高出幾個等級，簡直可以說就是為紅外探測這項工作而建造的。

著名的獵戶座星雲及其周邊。左圖是紅外拍攝，右圖為可見光拍攝。紅外圖像來自美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡，可見圖像來自總部位於亞利桑那州圖森的美國國家光學天文台。圖片由 NASA 等提供

這台開創性的望遠鏡是一台鍍金機器，字面意義和隱含意義都是，因為它價值 100 億美元。望遠鏡裡面裝有紅外探測器，配備高科技鏡頭，並利用了超級強大的軟件進行編程。在這些裝置當中，聖杯當屬所謂的近紅外相機，或者叫做 Nircam。這台相機將發揮打頭陣的角色，收集大量的深空紅外信號，供天文學家在地面查看。

為什麼人們常說 JWST 有望揭開“未經過濾的宇宙”的面紗，這就是原因。

通過 JWST 的鏡頭而不是標准光學望遠鏡觀看，就像從我假想的紐約暗區而不是時代廣場仰望星空一樣。在這兩種情況下都會看見比普通條件下多得多的無數星星在閃閃發光，哪怕你正在觀看的是同一片天空。只是在我們那個打比方的暗區裡，我們之所以能看到更多的星星，是因為我們沒有光污染的影響。而 JWST 則是通過收集深空的紅外光並為我們解碼來實現成像。

大家看的都是哈勃望遠鏡已經觀察了幾十年、科學家們研究了很多年的完全相同的一片宇宙，但韋伯望遠鏡將能獲取我們看不見的光，這有可能揭示出隱匿的宇宙現象，如劇烈的黑洞、奇異的系外行星、大螺旋星系……甚至外星生命發出的信號也說不定？

韋伯傳回來的第一張照片就已經遠非令人目瞪口呆可以形容。事實上，最先看到 JWST 的“第一張光學”圖像的 NASA 工作人員表示，他們對眼前的這一幕感動得熱淚盈眶。NASA 副局長帕姆·梅爾羅伊（Pam Melroy）說：“作為一名科學家、工程師以及作為一個人類，我所看到的東西讓我感動。”

礁湖星雲紅外圖像與非紅外圖像的對比。這些是 NASA 哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像，均為叫做礁湖星雲的一個巨大的恆星托兒所的中心區域。左側是標准光學版。 右側為紅外線版。圖片由 NASA、ESA 和STScI提供

但在我們深入瞭解 JWST 的紅外機制細節之前，我們得先談談電磁波譜。說得更具體一點，我們得先談談它給我們人類帶來的一個難題。

為什麼我們看不見紅外線？

在你生命的某個時刻，你也許冒出過這樣一個念頭：看到一種新顏色會是什麼樣的。那將是無法形容的顏色，就像“綠色”除了“像毛毛蟲一樣的顏色”以外其實並沒有定義一樣——或者，如果你是客觀的忠實粉絲，你會說“波長 550 納米的光”。經過一番思考，我敢打賭，你會覺得你永遠也不會知道“看到一種新顏色會是什麼樣的？”這個問題的答案了。

這是因為所謂的顏色不過是光被某些來源反射的產物。

不同波長的光決定了不同的顏色，你可以將其想像為各種比例的之字形在跳來跳去。比方說，當我們看到一把藍色雨傘時，我們的眼睛會捕捉到防水材料發出的更緊密的藍色波長。在欣賞火紅的落日時，我們的眼睛會看到一堆更長、更寬松的紅色和黃色波長。

所有各種波長都整齊地排列在所謂的“電磁光譜”上。但這就是問題所在。

電磁光譜圖，上面標明了 NASA 的哈勃、斯皮策和韋伯太空望遠鏡各自的探測范圍。圖片由 NASA 和 J. Olmsted [ STScI ]提供

盡管光的波長有無限多種，但人類只能“看到”光譜的一小部分：也就是可見光區域，這個區域包含了構成彩虹的各種顏色。所以我們才永遠也體會不到觀看非彩虹顏色的樂趣。

我們的身體沒法讓我們看到其他顏色，對此我們無能無力——當然了，建造一台超級望遠鏡除外。

監視秘密的波長

紅外光其實已經超出了可見光的范疇，所以雖然叫做紅外光，但紅外光其實並不是紅色的。它的樣子不像任何東西。其實用熱特徵來描述會更好——我們倒是可以“感覺到”紅外波長，這就是為什麼很多熱成像設備都包含有紅外探測器的原因。比方說，消防員不需要進入內部就可以調取紅外線來瞭解建築物內可能發生火災的位置。

但對於天文學來說，紅外波長的不可見性尤其成問題。

宇宙正在膨脹。不斷地膨脹。這意味著，當你讀到這篇文章時，恆星、星系以及類星體——那些就像宇宙手電筒一樣的超級發光體——正在離地球越來越遠。而當它們離地球越來越遠時，它們發出的光的波長從我們的角度看就會慢慢拉伸，有點像被拉長的橡皮筋。伸展、傾斜、拉長，直到移動到光譜的紅色端。它們“紅移”了。

我們銀河系中心的泛紅色視圖，好一幅璀璨星河。因為塵埃和氣體雲的遮擋，標准的光學望遠鏡通常是看不見我們銀河系的中心的。但斯皮策太空望遠鏡的紅外攝像機能夠穿透大部分的塵埃，為我們揭示密集的銀河系中心的恆星真容。而詹姆斯韋伯太空望遠鏡即將可以為我們展現比這還要壯觀的景象——梳理出更暗淡的恆星以及更清晰的細節。圖片由 NASA、JPL-Caltech、Susan Stolovy (SSC/Caltech) 等提供

以時間開端時誕生的恆星為例。到了某個時候，等到地球出現時，這顆恆星可能就會向我們這顆年輕的星球發射藍光波長。但隨著它離地球越來越遠，隨著宇宙的不斷膨脹，那些藍光波長開始朝著地球的方向拉伸，變得越來越紅……越來越紅……越來越紅。

JWST 項目副經理保羅·蓋特納（Paul Geithner）在一項聲明中表示：“紅移是當光穿過膨脹的宇宙時發生的，朝波長更長的紅端拉伸的現象，可用於測量距離。”

他說，事實上， JWST 的 Nircam ，“會利用拾取不同波長的濾光片拍攝一系列照片，並利用它偵測到這些圖像之間的亮度變化來測算遙遠星系的紅移情況。”

然而，最終這些波長甚至超出了可見光譜的范圍。它們開始踏入到紅外線的水域——消失在我們肉眼可及的范疇。不妨再次想想那個古老恆星的例子。

現在，經過了幾十億年之後，從我們的角度來看，那些慢慢變紅的波長已經移動到光譜的紅外區域了，成為遠古的恆星發送過來的、只是肉眼看不到的那種星光。

這張拼畫裡面可以看到韋伯太空望遠鏡所有主要儀器的成像。這些不是韋伯望遠鏡那張全彩色的“第一道光”的最終結果。這只是在測試產品。圖片由 NASA/ STScI提供

恆星與星系及未知的宇宙

這意味著所有那些遙遠的、超級罕見的、也許信息十分豐富的恆星和星系，以及被這些恆星和星系所照亮的一切，對我們來說都是不可見的。我們錯過了宇宙歷史的若干片段——它的開始章節。

但是由於有了可以搜索紅外線的儀器，JWST 可以向我們展示那些丟失的部分。它們可以闡明宇宙在大爆炸之後剛開始時刻的樣子。他們還可以發現被衛星阻擋視線的遙遠的系外行星，並尋找遙遠的可能揭示外星生命信號的人造光。它們將為我們提供一幅足夠清晰的宇宙景象，好提醒我們，自己在浩瀚宇宙當中是多麼的渺小。

哈勃望遠鏡拍攝的猴頭星雲圖像。左為可見光視圖，右為紅外視圖。雖然哈勃望遠鏡也具備了一定的紅外功能，但與韋伯相比，則根本算不上什麼。圖片由 NASA與歐空局提供

另外，紅外波長還有一個額外的好處，就是它的波長足夠長，足以穿透物質，其中也包括又厚又龐大的星塵雲。因此，如果 JWST 能夠接收到從這樣的雲發射出來的紅外光的話，它就能夠描繪它的內部場景——甚至可包括古老恆星誕生時的情形。

蓋特納說：“目前尚不清楚宇宙是如何從只有氫和氦的簡單狀態轉變成我們今天所看到的宇宙的。而韋伯望遠鏡可以看到遙遠的太空以及我們此前從未觀察過的紀元，並幫助我們回答這些重要問題。”

但 JWST 讓人最為夢寐以求的，是除了科學家們幾十年來一直在問的問題以外，它還可以很好地回答一些沒人能想到的問題。

譯者：boxi。

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