韋布空間望遠鏡週年：它為何如此卓越？_風聞

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2022年度十大科學突破之首。發射至今僅一週年的“韋布”獲得了哪些重要成果，以至於它與推動它的科學家獲得如此殊榮？它為何會如此強大？它的成功對我們有什麼啓迪意義？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）雜誌公佈了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，以下簡稱為韋布，除非原文直接引用）的項目科學家、天體物理學家Jane Rigby。

《自然》雜誌給Jane Rigby的稱號是“天空獵手”（Sky hunter），並稱她為“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、為研究宇宙提供了巨大的新能力方面扮演了關鍵角色。”[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]相關網頁頂端為韋布主鏡面的一部分的藝術圖。

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佐證。那麼，發射至今僅一週年的韋布獲得了哪些重要成果，以至於它與推動它的科學家獲得如此殊榮？它為何會如此強大？它的成功對我們有什麼啓迪意義？

圖：韋布的藝術想象圖。圖片來源：[3]

韋布獲得了什麼成果？

從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，地面上的科學家們先用約半年時間讓它實現了軌道轉移、幾百個操作與測試。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圖像，於2022年7月11與12日先後公佈。

這批圖像包括：星系團SMACS J0723.3-7327所在的天區的長時間曝光照片、系外行星WASP-96b的母恆星WASP-96的光變曲線與透射光譜圖、南環狀星雲的圖像、5個星系構成的“斯蒂芬五重奏”（Stephan’s Quintet）的圖像、船底座星雲的一片區域（NGC 3324）的圖像。我們此前已經介紹過這批結果，此處不再贅述，有興趣的讀者可點擊閲讀《百億美元投資獲回報：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清晰度既滿足了公眾的審美，更滿足了專業的天文學家的要求，證明了韋布的卓越性能。可以説，韋布出道即巔峯。在這個巔峯之後，韋布並未走下坡路，而是在不同的領域繼續攀登新的巔峯。

我們可以分領域簡單總結第一批成果與至今獲得的新成果。

在“深場”領域，韋布觀測了不同的天區，拍攝到眾多高紅移（遠距離）星系，其中一些星系的距離打破此前由“哈勃”觀測到的最遠距離星系保持的記錄。對這些星系的深入研究將直接深化人類對早期宇宙內星系性質的認識。韋布在這方面的成功讓人們相信它有望發現宇宙第一代星系與第一代恆星，它們形成於宇宙大爆炸之後大約1-2億年。

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色圖。韋布的近紅外光譜儀（NIRSpec）獲得了其中一些星系的光譜，圖中給出了其中4個星系的紅移：13.20、12.63、11.58與10.38。在紅移為13.20時，宇宙年齡不足4億年。圖片來源：[4]

在星系領域，韋布拍攝了“斯蒂芬五重奏”、車輪（Cartwheel）星系、活動星系NGC 7469等星系的圖像。對這些星系的觀測與研究為人們瞭解這些星系內的恆星、氣體與塵埃分佈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]

在星雲領域，韋布拍攝了南環狀星雲、船底座星雲、狼蛛星雲、獵户座星雲與“創生之柱”的圖像。這些觀測為天文學家深入研究中小質量恆星演化末期、胚胎階段的恆星（“原恆星”）及其周圍相對冷的塵埃與氣體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”的偽色圖（左）與由韋布的中紅外設備獲得的數據合成的“創生之柱”的偽色圖（右）。圖片來源：[6]

在太陽系內天體領域，韋布觀測了木星、火星、海王星與土衞六等天體系統。韋布得到的圖像證實了它在這方面的能力也超過了預期，未來韋布對太陽系內天體的觀測將深化人們對它們的性質以及太陽系起源的認識。

圖：由韋布的近紅外相機獲得的數據合成的海王星系統的偽色圖。圖中顯示出海王星的多層環與14顆衞星中的7顆：海衞一（Triton）、海衞六（Galatea）、海衞三（Naiad）、海衞四（Thalassa）、海衞五（Despina）、海衞八（Proteus）與海衞七（Larissa）。由於海衞一呈點狀且較亮，因此衍射效應導致的六角芒很明顯。圖片來源：[7]

在系外行星（太陽系外的行星）領域，韋布用凌星法拍攝了系外行星WASP-96b的母恆星WASP-96的光變曲線與透射光譜圖，並用直接成像法拍攝了系外行星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、更不是唯一能用這種方法拍攝系外行星圖像的望遠鏡，但它在紅外觀測方面的獨特優勢是其他眾多望遠鏡不具備的。將來韋布對系外行星的觀測將有望幫助人們確認類似於地球的系外行星。

圖：韋布的近紅外相機（NIRcam）與中紅外設備（MIRI）拍攝的系外行星HIP 65426 b在3.067微米、4.397微米、11.307微米與15.514微米4個波段上的圖像（下方小圖，依次由左到右）。大圖為數字化巡天（DSS）拍攝的恆星HIP 65426所在的天空的中的羣星。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的局面下，視場很小的韋布根本來不及發現那些近距離超新星就會被其他望遠鏡搶先，因此它發現的幾乎只能是非常遠的超新星，它們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]

韋布為何會如此強大？

韋布的巨大成功來自自身主鏡與儀器的先進功能，以及過去眾多望遠鏡研製過程中提供的正面經驗與反面教訓。

首先，韋布的主鏡與儀器非常先進。它的口徑（6.5米）遠大於此前的“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：從上到下分別顯示了“斯皮策”、“哈勃”與韋布的大小。雖然圖中的韋布的直徑被標記為6.6米，但其等效口徑為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“斯皮策”高得多。正因為口徑大得多，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：左與右分別是“斯皮策”上的紅外陣列相機（IRAC）與韋布的中紅外設備（MIRI）拍攝的大麥哲倫雲（大麥雲，LMC）星系內的一片區域的圖像。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”無法發現的眾多對象，如深藏於星雲中的原恆星。

圖：在韋布得到的船底座星雲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噴流與外流。圖中圈出的區域都被放大後置於右方。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）、紅外線與微波。[注4]以紅外空間望遠鏡為例，早在1983年，人類就發射了“紅外天文衞星（The Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是人類歷史上第一個紅外空間望遠鏡。這些空間望遠鏡尤其是紅外空間望遠鏡的研製與發射過程中積累的技術為韋布提供了大量正面經驗。

圖：IRAS的藝術想象圖。圖片來源：[12]

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

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

除了借鑑上述源自空間望遠鏡的方案之外，韋布還借鑑了地面大望遠鏡的多鏡面拼接技術。這個技術是地面上10米級光學望遠鏡普遍採用的方案，一些6-8米級望遠鏡也使用這個方案。它也是未來的30-40米級地面光學望遠鏡的主流方案之一。因此我們可以説韋布是站在巨人肩膀上的巨人。

圖：韋布的主鏡面由18塊正六邊形鏡面拼接而成，每塊鏡面的邊長約為0.75米，面積約為1.4平方米，18塊鏡面的總面積為25.4平方米，拼接成等效口徑約為6.5米的鏡面。圖片來源：[14]

韋布強大的第三個因素在於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”的鏡面無法精準聚光，從而導致所有儀器都受到影響，這不僅讓NASA在後來付出了上億美元的代價修復“哈勃”，長期犧牲一個儀器佔位（用於安裝光學校正器COSTAR），還使哈勃的性能在1990年-1993年的3年間受到了很大負面影響。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。