2022年12月14日，《自然》雜志將詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目科學(xué)家Jane Rigby評(píng)選為2022年度10人之首，理由是她推動(dòng)“韋布”成功運(yùn)行。次日，《科學(xué)》雜志將“韋布”的成功運(yùn)行列為2022年度十大科學(xué)突破之首。發(fā)射至今僅一周年的“韋布”獲得了哪些重要成果，以至于它與推動(dòng)它的科學(xué)家獲得如此殊榮？它為何會(huì)如此強(qiáng)大？它的成功對(duì)我們有什么啟迪意義？本文將試圖回答這些問題。
2022年12月14日，《自然》（Nature）雜志公布了2022年度時(shí)代人物（Nature’s 10），[1]位列榜首的是詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，以下簡(jiǎn)稱為韋布，除非原文直接引用）的項(xiàng)目科學(xué)家、天體物理學(xué)家Jane Rigby。《自然》雜志給Jane Rigby的稱號(hào)是“天空獵手”（Sky hunter），并稱她為“開拓性的天文學(xué)家”。她入選的原因是“在使詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入太空并正常工作、為研究宇宙提供了巨大的新能力方面扮演了關(guān)鍵角色?！?span style="outline: 0px;letter-spacing: 0.544px;font-family: -apple-system, system-ui, "Helvetica Neue", "PingFang SC", "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei UI", "Microsoft YaHei", Arial, sans-serif;background-color: rgb(255, 255, 255);color: rgb(136, 136, 136);font-size: 12px;">[1]圖：Nature’s 10 的網(wǎng)頁(yè)截圖。圖片來源：[1]2022年12月15日，《科學(xué)》（Science）雜志列出了2022年度十大科學(xué)突破，位列第一的是韋布的成功運(yùn)行。[2][注1]相關(guān)網(wǎng)頁(yè)頂端為韋布主鏡面的一部分的藝術(shù)圖。圖：《科學(xué)》雜志介紹2022年度十大科學(xué)突破的網(wǎng)頁(yè)頂端截圖。圖片來源：[2]
韋布與推動(dòng)它的天文學(xué)家獲得的榮譽(yù)是韋布獲得巨大成功的一個(gè)佐證。那么，發(fā)射至今僅一周年的韋布獲得了哪些重要成果，以至于它與推動(dòng)它的科學(xué)家獲得如此殊榮？它為何會(huì)如此強(qiáng)大？它的成功對(duì)我們有什么啟迪意義？從2021年12月25日升空開始，韋布已經(jīng)在太空中度過了整整一年時(shí)間。在這一年時(shí)間里，地面上的科學(xué)家們先用約半年時(shí)間讓它實(shí)現(xiàn)了軌道轉(zhuǎn)移、幾百個(gè)操作與測(cè)試。此后，韋布進(jìn)入觀測(cè)狀態(tài)，天文學(xué)家將它獲得的第一批觀測(cè)數(shù)據(jù)處理為圖像，于2022年7月11與12日先后公布。這批圖像包括：星系團(tuán)SMACS J0723.3-7327所在的天區(qū)的長(zhǎng)時(shí)間曝光照片、系外行星WASP-96b的母恒星WASP-96的光變曲線與透射光譜圖、南環(huán)狀星云的圖像、5個(gè)星系構(gòu)成的“斯蒂芬五重奏”（Stephan's Quintet）的圖像、船底座星云的一片區(qū)域（NGC 3324）的圖像。我們此前已經(jīng)介紹過這批結(jié)果，此處不再贅述，有興趣的讀者可點(diǎn)擊閱讀《百億美元投資獲回報(bào)：韋布空間望遠(yuǎn)鏡的第一批照片有多強(qiáng)？》。第一批圖像的品質(zhì)與清晰度既滿足了公眾的審美，更滿足了專業(yè)的天文學(xué)家的要求，證明了韋布的卓越性能?？梢哉f，韋布出道即巔峰。在這個(gè)巔峰之后，韋布并未走下坡路，而是在不同的領(lǐng)域繼續(xù)攀登新的巔峰。我們可以分領(lǐng)域簡(jiǎn)單總結(jié)第一批成果與至今獲得的新成果。在“深場(chǎng)”領(lǐng)域，韋布觀測(cè)了不同的天區(qū)，拍攝到眾多高紅移（遠(yuǎn)距離）星系，其中一些星系的距離打破此前由“哈勃”觀測(cè)到的最遠(yuǎn)距離星系保持的記錄。對(duì)這些星系的深入研究將直接深化人類對(duì)早期宇宙內(nèi)星系性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。韋布在這方面的成功讓人們相信它有望發(fā)現(xiàn)宇宙第一代星系與第一代恒星，它們形成于宇宙大爆炸之后大約1-2億年。圖：韋布在當(dāng)年“哈勃超級(jí)深場(chǎng)”（Hubble Space Telescope’s Ultra Deep Field）項(xiàng)目觀測(cè)的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)后得到的紅外深場(chǎng)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(gè)星系的紅移：13.20、12.63、11.58與10.38。在紅移為13.20時(shí)，宇宙年齡不足4億年。圖片來源：[4]
在星系領(lǐng)域，韋布拍攝了“斯蒂芬五重奏”、車輪（Cartwheel）星系、活動(dòng)星系NGC 7469等星系的圖像。對(duì)這些星系的觀測(cè)與研究為人們了解這些星系內(nèi)的恒星、氣體與塵埃分布等信息提供了重要依據(jù)。圖：由韋布的近紅外相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)合成的NGC 7469的偽色圖，明顯的核心使其圖像出現(xiàn)了明顯的衍射芒。圖片來源：[5]
在星云領(lǐng)域，韋布拍攝了南環(huán)狀星云、船底座星云、狼蛛星云、獵戶座星云與“創(chuàng)生之柱”的圖像。這些觀測(cè)為天文學(xué)家深入研究中小質(zhì)量恒星演化末期、胚胎階段的恒星（“原恒星”）及其周圍相對(duì)冷的塵埃與氣體盤的性質(zhì)等課題提供了重要支持。圖：由韋布的近紅外相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)合成的“創(chuàng)生之柱”的偽色圖（左）與由韋布的中紅外設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)合成的“創(chuàng)生之柱”的偽色圖（右）。圖片來源：[6]
在太陽系內(nèi)天體領(lǐng)域，韋布觀測(cè)了木星、火星、海王星與土衛(wèi)六等天體系統(tǒng)。韋布得到的圖像證實(shí)了它在這方面的能力也超過了預(yù)期，未來韋布對(duì)太陽系內(nèi)天體的觀測(cè)將深化人們對(duì)它們的性質(zhì)以及太陽系起源的認(rèn)識(shí)。圖：由韋布的近紅外相機(jī)獲得的數(shù)據(jù)合成的海王星系統(tǒng)的偽色圖。圖中顯示出海王星的多層環(huán)與14顆衛(wèi)星中的7顆：海衛(wèi)一（Triton）、海衛(wèi)六（Galatea）、海衛(wèi)三（Naiad）、海衛(wèi)四（Thalassa）、海衛(wèi)五（Despina）、海衛(wèi)八（Proteus）與海衛(wèi)七（Larissa）。由于海衛(wèi)一呈點(diǎn)狀且較亮，因此衍射效應(yīng)導(dǎo)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(lǐng)域，韋布用凌星法拍攝了系外行星WASP-96b的母恒星WASP-96的光變曲線與透射光譜圖，并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(cè)行星的能力是預(yù)期的10倍。雖然韋布不是第一個(gè)、更不是唯一能用這種方法拍攝系外行星圖像的望遠(yuǎn)鏡，但它在紅外觀測(cè)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是其他眾多望遠(yuǎn)鏡不具備的。將來韋布對(duì)系外行星的觀測(cè)將有望幫助人們確認(rèn)類似于地球的系外行星。圖：韋布的近紅外相機(jī)（NIRcam）與中紅外設(shè)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(gè)波段上的圖像（下方小圖，依次由左到右）。大圖為數(shù)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(lǐng)域，韋布在2022年發(fā)現(xiàn)了4顆超新星。[注2]在當(dāng)前各種大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡激烈競(jìng)爭(zhēng)的局面下，視場(chǎng)很小的韋布根本來不及發(fā)現(xiàn)那些近距離超新星就會(huì)被其他望遠(yuǎn)鏡搶先，因此它發(fā)現(xiàn)的幾乎只能是非常遠(yuǎn)的超新星，它們的特點(diǎn)是暗到其他口徑相對(duì)小的望遠(yuǎn)鏡無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。韋布在未來可以發(fā)現(xiàn)更多極遠(yuǎn)距離的超新星。[注3]韋布的巨大成功來自自身主鏡與儀器的先進(jìn)功能，以及過去眾多望遠(yuǎn)鏡研制過程中提供的正面經(jīng)驗(yàn)與反面教訓(xùn)。首先，韋布的主鏡與儀器非常先進(jìn)。它的口徑（6.5米）遠(yuǎn)大于此前的“哈勃”的口徑（2.4米）以及斯皮策紅外空間望遠(yuǎn)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(biāo)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(cè)同樣的紅外波段時(shí)，韋布的分辨率比“哈勃”與“斯皮策”高得多。正因?yàn)榭趶酱蟮枚?，韋布觀測(cè)同樣目標(biāo)、獲得同樣品質(zhì)的圖像需要的觀測(cè)時(shí)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(jī)（IRAC）與韋布的中紅外設(shè)備（MIRI）拍攝的大麥哲倫云（大麥云，LMC）星系內(nèi)的一片區(qū)域的圖像。二者觀測(cè)波長(zhǎng)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(yuǎn)超過“斯皮策”的分辨率。圖片來源：[10]
韋布遠(yuǎn)離地球，它具有5層防護(hù)罩且其中的紅外設(shè)備攜帶額外的制冷機(jī)，因此可觀測(cè)的波長(zhǎng)極限（28微米）遠(yuǎn)超過哈勃可觀測(cè)的波長(zhǎng)極限（不超過2.5微米），因此可以發(fā)現(xiàn)“哈勃”無法發(fā)現(xiàn)的眾多對(duì)象，如深藏于星云中的原恒星。圖：在韋布得到的船底座星云部分區(qū)域的近紅外圖像中，天文學(xué)家找到了此前未被“哈勃”等望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的二十多個(gè)噴流與外流。圖中圈出的區(qū)域都被放大后置于右方。這些區(qū)域都顯示出分子氫外流（molecular hydrogen outflows），區(qū)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(fā)射了大量空間望遠(yuǎn)鏡，這些望遠(yuǎn)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(xué)（可見光）、紅外線與微波。[注4]以紅外空間望遠(yuǎn)鏡為例，早在1983年，人類就發(fā)射了“紅外天文衛(wèi)星（The Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是人類歷史上第一個(gè)紅外空間望遠(yuǎn)鏡。這些空間望遠(yuǎn)鏡尤其是紅外空間望遠(yuǎn)鏡的研制與發(fā)射過程中積累的技術(shù)為韋布提供了大量正面經(jīng)驗(yàn)。圖：IRAS的藝術(shù)想象圖。圖片來源：[12]以技術(shù)借鑒為例，韋布上的中紅外設(shè)備（MIRI）采用的制冷機(jī)模式，“哈勃”的NICMOS在2002-2008年間就應(yīng)用過；韋布的鏡面鍍上黃金薄層，增強(qiáng)反射率，此前的“紅外空間望遠(yuǎn)鏡”（The Infrared Telescope in Space，IRTS）與Akari衛(wèi)星用過這個(gè)方案；韋布用鈹鑄造鏡坯，以提高硬度、溫度適應(yīng)性并降低重量，此前“斯皮策”望遠(yuǎn)鏡采用了這個(gè)方案。圖：在執(zhí)行X射線和低溫測(cè)試之前，波爾航天公司（Ball Aerospace）首席光學(xué)測(cè)試工程師Dave Chaney檢查韋布的主鏡面中的6片。圖片來源：[13]
除了借鑒上述源自空間望遠(yuǎn)鏡的方案之外，韋布還借鑒了地面大望遠(yuǎn)鏡的多鏡面拼接技術(shù)。這個(gè)技術(shù)是地面上10米級(jí)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡普遍采用的方案，一些6-8米級(jí)望遠(yuǎn)鏡也使用這個(gè)方案。它也是未來的30-40米級(jí)地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主流方案之一。因此我們可以說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(zhǎng)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(qiáng)大的第三個(gè)因素在于充分吸收了過去一些教訓(xùn)，尤其是“哈勃”的慘痛教訓(xùn)。當(dāng)年工程師磨“哈勃”的主鏡時(shí)的輕微偏差，導(dǎo)致“哈勃”的鏡面無法精準(zhǔn)聚光，從而導(dǎo)致所有儀器都受到影響，這不僅讓NASA在后來付出了上億美元的代價(jià)修復(fù)“哈勃”，長(zhǎng)期犧牲一個(gè)儀器占位（用于安裝光學(xué)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(fù)面影響。直到1993年年底，NASA的宇航員執(zhí)行了維修計(jì)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(fā)團(tuán)隊(duì)無比謹(jǐn)慎，韋布的發(fā)射日期也一再推遲，其預(yù)算一路攀升到100億美元。這樣的謹(jǐn)慎是必須的，因?yàn)轫f布的軌道高度比“哈勃”軌道高度高幾千倍，達(dá)到100多萬千米，比月球還遠(yuǎn)得多。一旦韋布出了問題，完全不可能派人上去維修。從韋布升空到開始工作，它必須在地面工程師的遙控下執(zhí)行344個(gè)關(guān)鍵步驟，任何一個(gè)步驟出錯(cuò)都將宣告它的死亡。這樣的謹(jǐn)慎與耐心為韋布出道即巔峰打下了最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。韋布強(qiáng)大的第四個(gè)因素在于工程師與科學(xué)家們又發(fā)展了大量新技術(shù)。韋布的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過此前所有的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，實(shí)際上它的復(fù)雜程度超過了所有望遠(yuǎn)鏡，是人類至今為止最復(fù)雜的設(shè)備之一。圖：韋布上面的近紅外相機(jī)（上）與中紅外設(shè)備（下）。圖片來源：[16]
由于它的復(fù)雜性，人們不可能僅拼湊此前的一些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，而需要不斷發(fā)展新的技術(shù)。從它內(nèi)部所有的儀器的設(shè)計(jì)與制造，到5層遮陽罩的設(shè)計(jì)、制造、折疊與展開，到望遠(yuǎn)鏡主體部分的折疊與展開，到各鏡面對(duì)焦，等等，所有這些過程都充滿挑戰(zhàn)性，因此讓全世界最聰明的一部分工程師與科學(xué)家們耗費(fèi)了大量的智慧與心血。圖：工程師與技術(shù)人員檢查韋布的5層遮陽罩。圖片來源：[17]韋布的成功不僅是它自身的成功，也大大激勵(lì)了人們對(duì)其他空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的信心。更重要的是，它的成功會(huì)在多個(gè)方面啟迪我們。韋布的成功首先告訴所有有志于獲得重大成果的人與團(tuán)隊(duì)一個(gè)最簡(jiǎn)單的道理：足夠的耐心、細(xì)心與智慧是獲得重大成果的基本要求。不僅韋布如此，此前的激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）亦是如此，好幾代物理學(xué)家與工程師前仆后繼，終于使它成為世界上第一個(gè)探測(cè)到引力波的儀器。圖：LIGO位于Livingston與Hanford的兩個(gè)設(shè)備在地面上的部分的外觀。圖片來源：[18]
韋布的成功也進(jìn)一步證明了大科學(xué)（Big Science）的價(jià)值。過去一百多年來，與觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的科學(xué)研究需要付出的代價(jià)越來越大，為之服務(wù)的團(tuán)隊(duì)也越來越龐大，一個(gè)實(shí)驗(yàn)室涉及幾百人甚至幾千人的情況已不鮮見，這使得科學(xué)走向了大科學(xué)的時(shí)代。在激烈的科技競(jìng)爭(zhēng)中，不同的國(guó)家面臨著艱難的抉擇：是選擇風(fēng)險(xiǎn)小而穩(wěn)妥的項(xiàng)目，還是選擇風(fēng)險(xiǎn)大而收益高的大科學(xué)項(xiàng)目？這對(duì)一個(gè)國(guó)家科技領(lǐng)域的決策形成了挑戰(zhàn)。韋布的成功讓人們對(duì)充滿風(fēng)險(xiǎn)也充滿希望的大科學(xué)項(xiàng)目更有信心。韋布的成功還為后面更宏大的目標(biāo)樹立了標(biāo)桿。將來人們可以用更好的載具發(fā)射更大的紅外空間望遠(yuǎn)鏡與觀測(cè)其他波段的空間望遠(yuǎn)鏡。我們期望韋布在未來十年獲得的數(shù)據(jù)能夠重塑人類對(duì)太陽系內(nèi)天體和太陽系的形成機(jī)制的認(rèn)識(shí)，加深人類對(duì)系外行星與地外生命、星系、各類天體的形成與爆發(fā)以及宇宙自身的認(rèn)識(shí)。我們更希望將來會(huì)有比韋布更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡遨游太空，讓人類的知識(shí)體系進(jìn)一步升華。圖：人類看到Webb的最后一眼。圖片來源：[19][注1]《科學(xué)》雜志公眾號(hào)的中文文章（https://mp.weixin.qq.com/s/I6kBfXwS24dDSG3le65zWg）稱韋布為“NASA的明星級(jí)新型太空望遠(yuǎn)鏡”，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f法，因?yàn)轫f布并不是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）獨(dú)自擁有的，而是由NASA、歐洲空間局（ESA）與加拿大空間局（CSA）共同投資建設(shè)的。[注2]韋布于2022年6月22日發(fā)現(xiàn)超新星AT2022owj，這是它發(fā)現(xiàn)的第一顆超新星。[注3]例如，它發(fā)現(xiàn)的AT 2022qmm在被發(fā)現(xiàn)時(shí)的星等是24.1等，遠(yuǎn)暗于其他大多數(shù)望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)到的極限（一般不暗于21等）。[注4]人們沒有發(fā)射射電望遠(yuǎn)鏡到太空的原因是：大多數(shù)射電望遠(yuǎn)鏡在地面上基本不受大氣影響，少數(shù)要求很高的射電望遠(yuǎn)鏡在干燥的高原荒漠區(qū)也會(huì)工作地很好。此外，射電望遠(yuǎn)鏡需要更大得多的口徑才可以得到與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡同等的分辨率，而在此前與當(dāng)前，發(fā)射幾十米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡到太空是不現(xiàn)實(shí)的。[1]https://www.nature.com/immersive/d41586-022-04185-3/index.html[2]https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022#section_breakthrough[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)。[13]NASA/MSFC/David Higginbotham[16]Lockheed Martin（上）；Science and Technology Facilities Council（下）[17] Northrop Grumman Aerospace Systems[18]https://www.ligo.caltech.edu/LA
