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2022年12月14日，《自然》雜誌將詹姆斯·韋布空間望遠鏡的項目科學家Jane Rigby評選為(wei) 2022年度10人之首，理由是她推動“韋布”成功運行。次日，《科學》雜誌將“韋布”的成功運行列為(wei) 2022年度十大科學突破之首。發射至今僅(jin) 一周年的“韋布”獲得了哪些重要成果，以至於(yu) 它與(yu) 推動它的科學家獲得如此殊榮？它為(wei) 何會(hui) 如此強大？它的成功對我們(men) 有什麽(me) 啟迪意義(yi) ？本文將試圖回答這些問題。

撰文 | 王善欽

2022年12月14日，《自然》（Nature）雜誌公布了2022年度時代人物（Nature’s 10），[1]位列榜首的是詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱為(wei) 韋布，除非原文直接引用）的項目科學家、天體(ti) 物理學家Jane Rigby。

《自然》雜誌給Jane Rigby的稱號是“天空獵手”（Sky hunter），並稱她為(wei) “開拓性的天文學家”。她入選的原因是“在使詹姆斯·韋布空間望遠鏡進入太空並正常工作、為(wei) 研究宇宙提供了巨大的新能力方麵扮演了關(guan) 鍵角色。”[1]

圖：Nature’s 10 的網頁截圖。圖片來源：[1]

2022年12月15日，《科學》（Science）雜誌列出了2022年度十大科學突破，位列第一的是韋布的成功運行。[2][注1]相關(guan) 網頁頂端為(wei) 韋布主鏡麵的一部分的藝術圖。

圖：《科學》雜誌介紹2022年度十大科學突破的網頁頂端截圖。圖片來源：[2]

韋布與(yu) 推動它的天文學家獲得的榮譽是韋布獲得巨大成功的一個(ge) 佐證。那麽(me) ，發射至今僅(jin) 一周年的韋布獲得了哪些重要成果，以至於(yu) 它與(yu) 推動它的科學家獲得如此殊榮？它為(wei) 何會(hui) 如此強大？它的成功對我們(men) 有什麽(me) 啟迪意義(yi) ？

圖：韋布的藝術想象圖。圖片來源：[3]

韋布獲得了什麽(me) 成果？

從(cong) 2021年12月25日升空開始，韋布已經在太空中度過了整整一年時間。在這一年時間裏，地麵上的科學家們(men) 先用約半年時間讓它實現了軌道轉移、幾百個(ge) 操作與(yu) 測試。此後，韋布進入觀測狀態，天文學家將它獲得的第一批觀測數據處理為(wei) 圖像，於(yu) 2022年7月11與(yu) 12日先後公布。

這批圖像包括：星係團SMACS J0723.3-7327所在的天區的長時間曝光照片、係外行星WASP-96b的母恒星WASP-96的光變曲線與(yu) 透射光譜圖、南環狀星雲(yun) 的圖像、5個(ge) 星係構成的“斯蒂芬五重奏”（Stephan's Quintet）的圖像、船底座星雲(yun) 的一片區域（NGC 3324）的圖像。我們(men) 此前已經介紹過這批結果，此處不再贅述，有興(xing) 趣的讀者可點擊閱讀《百億(yi) 美元投資獲回報：韋布空間望遠鏡的第一批照片有多強？》。

第一批圖像的品質與(yu) 清晰度既滿足了公眾(zhong) 的審美，更滿足了專(zhuan) 業(ye) 的天文學家的要求，證明了韋布的卓越性能。可以說，韋布出道即巔峰。在這個(ge) 巔峰之後，韋布並未走下坡路，而是在不同的領域繼續攀登新的巔峰。

我們(men) 可以分領域簡單總結第一批成果與(yu) 至今獲得的新成果。

在“深場”領域，韋布觀測了不同的天區，拍攝到眾(zhong) 多高紅移（遠距離）星係，其中一些星係的距離打破此前由“哈勃”觀測到的最遠距離星係保持的記錄。對這些星係的深入研究將直接深化人類對早期宇宙內(nei) 星係性質的認識。韋布在這方麵的成功讓人們(men) 相信它有望發現宇宙第一代星係與(yu) 第一代恒星，它們(men) 形成於(yu) 宇宙大爆炸之後大約1-2億(yi) 年。

圖：韋布在當年“哈勃超級深場”（Hubble Space Telescope’s Ultra Deep Field）項目觀測的區域進行觀測後得到的紅外深場偽(wei) 色圖。韋布的近紅外光譜儀(yi) （NIRSpec）獲得了其中一些星係的光譜，圖中給出了其中4個(ge) 星係的紅移：13.20、12.63、11.58與(yu) 10.38。在紅移為(wei) 13.20時，宇宙年齡不足4億(yi) 年。圖片來源：[4]

在星係領域，韋布拍攝了“斯蒂芬五重奏”、車輪（Cartwheel）星係、活動星係NGC 7469等星係的圖像。對這些星係的觀測與(yu) 研究為(wei) 人們(men) 了解這些星係內(nei) 的恒星、氣體(ti) 與(yu) 塵埃分布等信息提供了重要依據。

圖：由韋布的近紅外相機獲得的數據合成的NGC 7469的偽(wei) 色圖，明顯的核心使其圖像出現了明顯的衍射芒。圖片來源：[5]

在星雲(yun) 領域，韋布拍攝了南環狀星雲(yun) 、船底座星雲(yun) 、狼蛛星雲(yun) 、獵戶座星雲(yun) 與(yu) “創生之柱”的圖像。這些觀測為(wei) 天文學家深入研究中小質量恒星演化末期、胚胎階段的恒星（“原恒星”）及其周圍相對冷的塵埃與(yu) 氣體(ti) 盤的性質等課題提供了重要支持。

圖：由韋布的近紅外相機獲得的數據合成的“創生之柱”的偽(wei) 色圖（左）與(yu) 由韋布的中紅外設備獲得的數據合成的“創生之柱”的偽(wei) 色圖（右）。圖片來源：[6]

在太陽係內(nei) 天體(ti) 領域，韋布觀測了木星、火星、海王星與(yu) 土衛六等天體(ti) 係統。韋布得到的圖像證實了它在這方麵的能力也超過了預期，未來韋布對太陽係內(nei) 天體(ti) 的觀測將深化人們(men) 對它們(men) 的性質以及太陽係起源的認識。

圖：由韋布的近紅外相機獲得的數據合成的海王星係統的偽(wei) 色圖。圖中顯示出海王星的多層環與(yu) 14顆衛星中的7顆：海衛一（Triton）、海衛六（Galatea）、海衛三（Naiad）、海衛四（Thalassa）、海衛五（Despina）、海衛八（Proteus）與(yu) 海衛七（Larissa）。由於(yu) 海衛一呈點狀且較亮，因此衍射效應導致的六角芒很明顯。圖片來源：[7]

在係外行星（太陽係外的行星）領域，韋布用淩星法拍攝了係外行星WASP-96b的母恒星WASP-96的光變曲線與(yu) 透射光譜圖，並用直接成像法拍攝了係外行星HIP 65426 b的圖像。分析表明，韋布用直接成像法探測行星的能力是預期的10倍。雖然韋布不是第一個(ge) 、更不是唯一能用這種方法拍攝係外行星圖像的望遠鏡，但它在紅外觀測方麵的獨特優(you) 勢是其他眾(zhong) 多望遠鏡不具備的。將來韋布對係外行星的觀測將有望幫助人們(men) 確認類似於(yu) 地球的係外行星。

圖：韋布的近紅外相機（NIRcam）與(yu) 中紅外設備（MIRI）拍攝的係外行星HIP 65426 b在3.067微米、4.397微米、11.307微米與(yu) 15.514微米4個(ge) 波段上的圖像（下方小圖，依次由左到右）。大圖為(wei) 數字化巡天（DSS）拍攝的恒星HIP 65426所在的天空的中的群星。圖片來源：[8]

在超新星領域，韋布在2022年發現了4顆超新星。[注2]在當前各種大視場望遠鏡激烈競爭(zheng) 的局麵下，視場很小的韋布根本來不及發現那些近距離超新星就會(hui) 被其他望遠鏡搶先，因此它發現的幾乎隻能是非常遠的超新星，它們(men) 的特點是暗到其他口徑相對小的望遠鏡無法及時發現。韋布在未來可以發現更多極遠距離的超新星。[注3]

韋布為(wei) 何會(hui) 如此強大？

韋布的巨大成功來自自身主鏡與(yu) 儀(yi) 器的先進功能，以及過去眾(zhong) 多望遠鏡研製過程中提供的正麵經驗與(yu) 反麵教訓。

首先，韋布的主鏡與(yu) 儀(yi) 器非常先進。它的口徑（6.5米）遠大於(yu) 此前的“哈勃”的口徑（2.4米）以及斯皮策紅外空間望遠鏡（“斯皮策”）的口徑（0.85米）。

圖：從(cong) 上到下分別顯示了“斯皮策”、“哈勃”與(yu) 韋布的大小。雖然圖中的韋布的直徑被標記為(wei) 6.6米，但其等效口徑為(wei) 6.5米。圖片來源：[9]

因此，在觀測同樣的紅外波段時，韋布的分辨率比“哈勃”與(yu) “斯皮策”高得多。正因為(wei) 口徑大得多，韋布觀測同樣目標、獲得同樣品質的圖像需要的觀測時間就短得多，因此效率高得多。

圖：左與(yu) 右分別是“斯皮策”上的紅外陣列相機（IRAC）與(yu) 韋布的中紅外設備（MIRI）拍攝的大麥哲倫(lun) 雲(yun) （大麥雲(yun) ，LMC）星係內(nei) 的一片區域的圖像。二者觀測波長幾乎完全一樣（8.0微米 vs 7.7微米），但韋布的圖像的分辨率顯然遠超過“斯皮策”的分辨率。圖片來源：[10]

韋布遠離地球，它具有5層防護罩且其中的紅外設備攜帶額外的製冷機，因此可觀測的波長極限（28微米）遠超過哈勃可觀測的波長極限（不超過2.5微米），因此可以發現“哈勃”無法發現的眾(zhong) 多對象，如深藏於(yu) 星雲(yun) 中的原恒星。

圖：在韋布得到的船底座星雲(yun) 部分區域的近紅外圖像中，天文學家找到了此前未被“哈勃”等望遠鏡發現的二十多個(ge) 噴流與(yu) 外流。圖中圈出的區域都被放大後置於(yu) 右方。這些區域都顯示出分子氫外流（molecular hydrogen outflows），區域2還顯示出噴流（jet）與(yu) 弓形激波（bow shock）。圖片來源：[11]

其次，在韋布之前，人類已發射了大量空間望遠鏡，這些望遠鏡覆蓋了電磁波除射電波段之外的所有波段：伽瑪射線、X射線、紫外線、光學（可見光）、紅外線與(yu) 微波。[注4]以紅外空間望遠鏡為(wei) 例，早在1983年，人類就發射了“紅外天文衛星（The Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是人類曆史上第一個(ge) 紅外空間望遠鏡。這些空間望遠鏡尤其是紅外空間望遠鏡的研製與(yu) 發射過程中積累的技術為(wei) 韋布提供了大量正麵經驗。

圖：IRAS的藝術想象圖。圖片來源：[12]

以技術借鑒為(wei) 例，韋布上的中紅外設備（MIRI）采用的製冷機模式，“哈勃”的NICMOS在2002-2008年間就應用過；韋布的鏡麵鍍上黃金薄層，增強反射率，此前的“紅外空間望遠鏡”（The Infrared Telescope in Space，IRTS）與(yu) Akari衛星用過這個(ge) 方案；韋布用鈹鑄造鏡坯，以提高硬度、溫度適應性並降低重量，此前“斯皮策”望遠鏡采用了這個(ge) 方案。

圖：在執行X射線和低溫測試之前，波爾航天公司（Ball Aerospace）首席光學測試工程師Dave Chaney檢查韋布的主鏡麵中的6片。圖片來源：[13]

除了借鑒上述源自空間望遠鏡的方案之外，韋布還借鑒了地麵大望遠鏡的多鏡麵拚接技術。這個(ge) 技術是地麵上10米級光學望遠鏡普遍采用的方案，一些6-8米級望遠鏡也使用這個(ge) 方案。它也是未來的30-40米級地麵光學望遠鏡的主流方案之一。因此我們(men) 可以說韋布是站在巨人肩膀上的巨人。

圖：韋布的主鏡麵由18塊正六邊形鏡麵拚接而成，每塊鏡麵的邊長約為(wei) 0.75米，麵積約為(wei) 1.4平方米，18塊鏡麵的總麵積為(wei) 25.4平方米，拚接成等效口徑約為(wei) 6.5米的鏡麵。圖片來源：[14]

韋布強大的第三個(ge) 因素在於(yu) 充分吸收了過去一些教訓，尤其是“哈勃”的慘痛教訓。當年工程師磨“哈勃”的主鏡時的輕微偏差，導致“哈勃”的鏡麵無法精準聚光，從(cong) 而導致所有儀(yi) 器都受到影響，這不僅(jin) 讓NASA在後來付出了上億(yi) 美元的代價(jia) 修複“哈勃”，長期犧牲一個(ge) 儀(yi) 器占位（用於(yu) 安裝光學校正器COSTAR），還使哈勃的性能在1990年-1993年的3年間受到了很大負麵影響。直到1993年年底，NASA的宇航員執行了維修計劃，才讓“哈勃”一雪前恥、直接封神。

圖：1993年12月，NASA的宇航員Story Musgrave與(yu) Jeffrey Hoffman在太空中維修“哈勃”。圖片來源：[15]

“哈勃”的幾年失敗期使韋布的研發團隊無比謹慎，韋布的發射日期也一再推遲，其預算一路攀升到100億(yi) 美元。這樣的謹慎是必須的，因為(wei) 韋布的軌道高度比“哈勃”軌道高度高幾千倍，達到100多萬(wan) 千米，比月球還遠得多。一旦韋布出了問題，完全不可能派人上去維修。從(cong) 韋布升空到開始工作，它必須在地麵工程師的遙控下執行344個(ge) 關(guan) 鍵步驟，任何一個(ge) 步驟出錯都將宣告它的死亡。這樣的謹慎與(yu) 耐心為(wei) 韋布出道即巔峰打下了最堅實的基礎。

韋布強大的第四個(ge) 因素在於(yu) 工程師與(yu) 科學家們(men) 又發展了大量新技術。韋布的複雜程度遠超過此前所有的紅外空間望遠鏡，實際上它的複雜程度超過了所有望遠鏡，是人類至今為(wei) 止最複雜的設備之一。

圖：韋布上麵的近紅外相機（上）與(yu) 中紅外設備（下）。圖片來源：[16]

由於(yu) 它的複雜性，人們(men) 不可能僅(jin) 拚湊此前的一些技術來實現目標，而需要不斷發展新的技術。從(cong) 它內(nei) 部所有的儀(yi) 器的設計與(yu) 製造，到5層遮陽罩的設計、製造、折疊與(yu) 展開，到望遠鏡主體(ti) 部分的折疊與(yu) 展開，到各鏡麵對焦，等等，所有這些過程都充滿挑戰性，因此讓全世界最聰明的一部分工程師與(yu) 科學家們(men) 耗費了大量的智慧與(yu) 心血。

圖：工程師與(yu) 技術人員檢查韋布的5層遮陽罩。圖片來源：[17]

韋布有什麽(me) 啟迪意義(yi) ？

韋布的成功不僅(jin) 是它自身的成功，也大大激勵了人們(men) 對其他空間望遠鏡項目的信心。更重要的是，它的成功會(hui) 在多個(ge) 方麵啟迪我們(men) 。

韋布的成功首先告訴所有有誌於(yu) 獲得重大成果的人與(yu) 團隊一個(ge) 最簡單的道理：足夠的耐心、細心與(yu) 智慧是獲得重大成果的基本要求。不僅(jin) 韋布如此，此前的激光幹涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）亦是如此，好幾代物理學家與(yu) 工程師前仆後繼，終於(yu) 使它成為(wei) 世界上第一個(ge) 探測到引力波的儀(yi) 器。

圖：LIGO位於(yu) Livingston與(yu) Hanford的兩(liang) 個(ge) 設備在地麵上的部分的外觀。圖片來源：[18]

韋布的成功也進一步證明了大科學（Big Science）的價(jia) 值。過去一百多年來，與(yu) 觀測與(yu) 實驗有關(guan) 的科學研究需要付出的代價(jia) 越來越大，為(wei) 之服務的團隊也越來越龐大，一個(ge) 實驗室涉及幾百人甚至幾千人的情況已不鮮見，這使得科學走向了大科學的時代。

在激烈的科技競爭(zheng) 中，不同的國家麵臨(lin) 著艱難的抉擇：是選擇風險小而穩妥的項目，還是選擇風險大而收益高的大科學項目？這對一個(ge) 國家科技領域的決(jue) 策形成了挑戰。韋布的成功讓人們(men) 對充滿風險也充滿希望的大科學項目更有信心。

韋布的成功還為(wei) 後麵更宏大的目標樹立了標杆。將來人們(men) 可以用更好的載具發射更大的紅外空間望遠鏡與(yu) 觀測其他波段的空間望遠鏡。

我們(men) 期望韋布在未來十年獲得的數據能夠重塑人類對太陽係內(nei) 天體(ti) 和太陽係的形成機製的認識，加深人類對係外行星與(yu) 地外生命、星係、各類天體(ti) 的形成與(yu) 爆發以及宇宙自身的認識。我們(men) 更希望將來會(hui) 有比韋布更強大的望遠鏡遨遊太空，讓人類的星空体育官网入口网站體(ti) 係進一步升華。

圖：人類看到Webb的最後一眼。圖片來源：[19]

注釋

[注1]《科學》雜誌公眾(zhong) 號的中文文章（
https://mp.weixin.qq.com/s/I6kBfXwS24dDSG3le65zWg）稱韋布為(wei) “NASA的明星級新型太空望遠鏡”，這是不嚴(yan) 謹的說法，因為(wei) 韋布並不是美國國家航空航天局（NASA）獨自擁有的，而是由NASA、歐洲空間局（ESA）與(yu) 加拿大空間局（CSA）共同投資建設的。

[注2]韋布於(yu) 2022年6月22日發現超新星AT2022owj，這是它發現的第一顆超新星。

[注3]例如，它發現的AT 2022qmm在被發現時的星等是24.1等，遠暗於(yu) 其他大多數望遠鏡能夠觀測到的極限（一般不暗於(yu) 21等）。

[注4]人們(men) 沒有發射射電望遠鏡到太空的原因是：大多數射電望遠鏡在地麵上基本不受大氣影響，少數要求很高的射電望遠鏡在幹燥的高原荒漠區也會(hui) 工作地很好。此外，射電望遠鏡需要更大得多的口徑才可以得到與(yu) 光學望遠鏡同等的分辨率，而在此前與(yu) 當前，發射幾十米口徑的射電望遠鏡到太空是不現實的。

參考文獻/圖片來源

[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

出品：科普中國

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