文|經緯創(chuàng)投
昨天上午，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝到的第一張全彩色圖像被拜登提前劇透了。
這張圖像顯示的是SMACS 0723，展示了位于南天的飛魚座（Volans），是一個還未被廣泛研究的地帶。從照片上可以看到它周圍的眾多星系和很多弧線，這些弧線，被稱為“愛因斯坦環(huán)”，是極大質量的前景星系團放大和扭曲了背后星體的光造成的。這張照片通過多種不同波長圖像的疊加，展示了130多億年前的宇宙景象。
NASA 局長 Bill Nelson 在白宮的最后一分鐘特別簡報會上對拜登形容說：“總統(tǒng)先生，如果您將指尖上的一粒沙子放在一臂遠的地方，那就是您所看到的宇宙的一部分?！?/p>
也就是說，照片實際覆蓋的區(qū)域，從地球上看，大約只是手指尖上的一粒沙這么大，卻包含了如此多的廣袤深邃的內容。
韋伯的這張照片，是迄今為止人類看到的最遙遠、最清晰的宇宙圖像。其中一些星系發(fā)出的光行進了130億年，才達到望遠鏡的鏡面。要知道，宇宙大爆炸距今也才138億年左右。
韋伯的首秀，也成為了人類窺視宇宙大爆炸的開始。更廣袤深邃的宇宙圖景，正在人類面前緩緩展開。以下，Enjoy:
01 百億美金韋伯望遠鏡傳回的第一批明信片
上文提到的SMACS 0723這張照片如此之重要，以至于美國總統(tǒng)拜登和副總統(tǒng)哈里斯，硬是搶了 NASA 原定于美國時間周二的“頭條”，提前開了一個白宮直播發(fā)布會，單獨搶先發(fā)布……
直到昨天晚上，韋伯拍攝的第一批完整彩色照片，終于露出了廬山真面目。如此高清全彩的圖像，讓人直呼韋伯“一百億沒白花”。
WASP-96b：地外行星
NASA發(fā)布的第二張照片名叫“地外行星”。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
等等，行星在哪里？這組圖其實是由韋伯望遠鏡NIRISS探測到的透射譜組成的散點圖。雖然NASA沒有直接拍到這個地外行星的外觀，但是圖表中的數據足以證明這個地外行星的存在，以及在其大氣層內有水形成的云霧。種種證據指向WASP-96 b，一個距離地球大約1150光年的氣態(tài)巨行星。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
目前來看，WASP-96 b 上有生命的機會應該非常渺茫：它也圍繞著一枚和太陽接近的恒星公轉，公轉周期非常短，它的“一年”只有我們地球上的三天半左右，而且溫度也高得離譜，所以幾乎不可能有和地球類似的碳基生命存在。
但是，一個有水的地外行星存在仍然是極其重要的發(fā)現，更別提韋伯望遠鏡到達預定位置開啟工作之后不久之后就做出了這一發(fā)現?！绊f伯望遠鏡技術之強大，工作效率之高，是過去哈勃望遠鏡所無法追趕的，”韋伯項目副主任科學家 Knicole Colón 說。
南環(huán)星云：向死而生
就像《天鵝湖》的悲劇版結局那樣，有些恒星在死亡的那一刻才閃耀出最美的光芒。南環(huán)星云就是這樣一個凄美的例子。
這張照片也通過韋伯的NIRCam(左)和MIRI(右)捕捉，是位于2000光年外的南環(huán)星云及其中央的一對雙子星。圖上，這兩顆暗淡、垂死的恒星正在噴出氣體和塵埃。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
過去的觀測普遍認為，這個星云層疊式的氣體殼，應該是來自于一枚處于“瀕死”階段的白矮星。它無法抗拒重力的崩塌，不斷向外射出氣體和物質殘渣，形成了一層層美麗的行星狀星云。
在此之前，科學家們有足夠的證據證明南環(huán)星云其實是一個雙星系統(tǒng)。但是星云和另一顆亮星的亮度更高，人們反而看不到這些美麗氣體的真正制造者。而在這次韋伯望遠鏡發(fā)回的照片中（右圖的中紅外成像結果），NASA 也終于首次清楚地看到兩顆星相映成輝。
斯蒂芬五重奏：宇宙舞蹈
第四張照片，讓我們可以從一個極特別的視角上，近距離觀測最離奇和有趣的恒星誕生機制。
為什么說它極為特別？圖片里有5個星系，站在地球上觀測的話它們合起來的大小只有月球直徑的五分之一，然而這張照片的像素高達1.5億，由接近一千張照片拼接而成。照片里的主角們，就是著名的史蒂芬五重星系 (Stephan's Quintet），一個由五個視覺接近的星系組成的星系群。
這是由NIRCam和MIRI捕捉的照片，2.9億光年開外，五個星系相互圍繞著，其中四個在太空深淵中經由引力拉扯和伸展，在宇宙深淵中跳著奇異的“舞蹈”。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
船底座星云：新生
第五張照片，則讓我們更加近距離地目睹新生命的孕育。這也是最后一張照片，來自于船底座星云 (Carina Nebula)：這片星空背景下“山脈”和“山谷”閃閃發(fā)光的美麗景觀，實際上是船底座星云中一個名為NGC 3324的恒星形成區(qū)域的邊緣圖像。
圖源：NASA, ESA, CSA, STScI
事實上，嬰兒恒星的形成階段是很難被捕捉到的，因為該階段只持續(xù)5-10萬年，但是韋伯的NIRCam以其超高的分辨率和靈敏度，首次揭示了恒星誕生區(qū)域的樣貌。紫外線輻射和恒星風形成了巨大的塵埃和氣體墻。恒星正在大量誕生。以圖片中靠近中心的紫色亮斑為例，那是一顆正在誕生中的恒星，正在從周遭的星云氣體中吸取物質，瘋狂地“長大”，并且在過程中發(fā)生極其劇烈的紫外線輻射。
而這種劇烈的輻射又對周遭的太空產生了深遠的影響，這也是為什么我們會在圖片的上半部分，特別是“山巒”的附近，看到類似于“蒸汽”的景象。實際上，它們是因為受到劇烈的紫外線輻射而導致離子化的氣體，以及由于各種原因出現的高溫物質顆粒（如其它恒星衰老死亡之后的殘?。?。這些氣體和顆粒又在引力的作用下，被“推”到了圖片靠下部分更稠密的星云當中，被這里更加密集的誕生中的恒星所吸收，形成了宇宙中物質的“循環(huán)利用”。
作為一座著名的“天體搖籃”，NGC 3324 就是這樣一番融合了暴力和美麗的景象。
如果說SMACS 0723 星團照片，展示的是宇宙最古老和神秘的原初景象，那么這張船底座星云照片則正好相反，帶我們飽覽了宇宙中最年輕的一個角落，所體現出的盎然生機。
在這張照片里有很多 NASA 已經能夠看懂的事物，也仍然還有很多它還看不懂的地方。項目副主任科學家Amber Straughn 指著照片中一塊暗色突起的部分，“比如這塊地方究竟正在發(fā)生什么？我們仍然不知道，這張照片的數據和信息真的是太豐富了?！?/p>
從恒星的創(chuàng)生到死亡，韋伯都給予了有史以來最高清最細節(jié)的記錄。卡爾·薩根說的一句話正在成為現實：“在某個地方，一些令人難以置信的事情正等待著人們知道。”（Somewhere, something incredible is waiting to be known.）
02 跨時代的“下一代太空望遠鏡”
去年12月25日，號稱“一代鴿王”的韋伯望遠鏡，歷時25年，耗資100億美元，在20國科學家的通力合作下，終于發(fā)射升空。
作為迄今為止規(guī)模最大、最復雜、最具挑戰(zhàn)性的太空望遠鏡，由于各種挫折和多次推遲，韋伯的發(fā)射也足夠吊人胃口，被天文迷們看作是來之不易的“圣誕禮物”。
燒錢確實有燒錢的道理，作為哈勃太空望遠鏡的“繼任者”，韋伯在尺寸和技術上都逾越了重重難關，成為人類歷史上看得最遠的望遠鏡。
圖源: NASA
首先，為了收集并且聚焦來自最遙遠星系的百億年前的微弱光線，主鏡必須足夠大、足夠光滑。
其次，百億年前的古老星光在穿越了不斷膨脹的宇宙空間之后，已經被大大拉長了成為了紅外線——原子振動時發(fā)出的光，而人類身體、大氣以及地面都會輻射出同樣的紅外線。為了避免本地熱源的干擾，這面大鏡子必須非常冷，發(fā)射到寒冷的太空是唯一選擇。
但是，沒有火箭能裝下一面像房子那么大的鏡子，所以鏡子必須被折疊起來。科學家們把大鏡子分割成了18個六邊形組成的蜂窩陣列。其次，鏡子應該足夠輕。科學家采用了鈹這種元素，比鋼強六倍，但只有鋁的三分之一密度，輕且堅硬，在低溫下也不會變形。鈹粉被壓成塊，然后被切割成形，最后鏡片上再覆一層黃金，這樣才能更好反射紅外線。最后制成的小六邊形鏡面，輕到用手就可以提起來。
但送上了太空還沒完，為了不同的鏡片產生的圖像可以匹配和重疊，鏡片在太空中展開后，需要排列到一個完美的地步。Ball航空航天公司提供的制動機能以10納米的精度推動鏡面，這個寬度僅為頭發(fā)的萬分之一。
另一個明星是遮陽罩。在它的反射下，當太陽光照過來時，只有極少數的熱量會滲透過來，保障望遠鏡能在持續(xù)低溫的穩(wěn)定狀態(tài)下工作。
它既是紅外望遠鏡的唯一希望，也是它的致命弱點。為了遮住屋子一樣大的主鏡，遮陽罩展開得有一個網球場那么大。要在火箭的承重范圍內，遮陽罩只能由薄織物組成。
圖源/NASA
然而薄織物是不確定的，它的運動不可能被完全控制，如果遮陽罩在展開時被鉤破，整個望遠鏡都會變成一坨太空垃圾。
材料，研究小組選了Kapton，一種光滑的銀色塑料，看起來很像薯片袋的內層，厚度只有人類頭發(fā)的直徑。Kapton的撕裂風險不低，因此需要很多層作為冗余ーー研究小組決定安裝五層。一個由吊臂、電纜和細繩所組成的系統(tǒng)，將把這五層遮陽罩都充分展開，分離并系緊。
首席工程師邁克爾 門澤爾(Michael Menzel)形容這件事有多難：“如果是剛性的東西，比如一扇門，你安上一條鉸鏈，就可以預測它的運動方式。小菜一碟。但現在給你的是一條軟的毯子。在床上推一條毯子，然后試著預測它會變成什么形狀？太可怕了。同樣的事情也發(fā)生在繩子上——每一根拉緊遮陽罩的繩子，可以有一百萬種不同的運動方式。更糟的是，在零重力狀態(tài)下，這些東西可以跑到你不希望它去的地方?！?/p>
大約在2004年，2位NASA工程師來到門澤爾的辦公室，說他們有辦法。其中一人拿起門澤爾桌上的一張紙，把它折成Z字形。遮陽罩可以折疊成許多這樣的Z字形，也就是“手風琴式折疊”。門澤爾覺得這個辦法行得通。
下一個問題是，如何保持遮陽罩處于手風琴折疊狀態(tài)，直到做好準備時再展開。另一位工程師安迪找到了解決辦法：107根固定針，可以像貓的爪子一樣縮回。
固定針又帶來了另一個棘手的問題：針會造成針孔。如果在展開后，所有五層Kapton上的針孔恰好排成一條直線，就會讓陽光通過，加熱望遠鏡的光學器件。
門澤爾說：“這是個之前根本想不到的小細節(jié)，直到你開始做了才發(fā)現，天啊，五個針孔有可能排成一列，這事聽起來不大，但把安迪搞到借酒澆愁。謝天謝地，他后來想通了?！卑驳锨谇趹y試了許久，終于找出了一種方案，使得五層大小各異的Kapton遮陽罩不論怎么展開，上面的針孔都不會排成直線。
圖源/NASA
在將無數個看似不可能的任務變成可能之后，在阿麗亞娜火箭的搭載下，韋伯去往了黑暗寒冷的遙遠太空。行程耗時整整30天，只為了到達日地第二拉格朗日點L2。這個點距離地球足足150萬公里。
好處是，受到的地球和太陽引力之和剛剛好，能讓韋伯和地球同步繞太陽公轉；同時，月球、地球和太陽都位于同方向，便于韋伯架設起巨幅遮陽罩，屏蔽這些熱源的干擾，在零下223攝氏度的深寒狀態(tài)中，更好探測宇宙黎明時的微弱熱量。
壞處是，韋伯望遠鏡成了“一錘子買賣”。哈勃望遠鏡出了問題，宇航員還能去距離僅559公里的低地球軌道維修，但是韋伯出了任何問題，科學家和工程師們只能抱頭痛哭。
這個項目的首席科學家，諾獎得主、天體物理學家約翰·馬瑟（John Mather）說：“我們已經盡力去發(fā)現所有的錯誤，進行測試和演習，此刻，我們將把價值數十億美元的望遠鏡放在一堆爆炸物上?！?/p>
03 韋伯是怎么拍攝宇宙圖像的？
經過數月的對齊、校準和設備調試，韋伯終于在這個夏天傳回了它的首秀照片。
SMACS 0723這張照片由韋伯望遠鏡的近紅外相機（NIRCam）拍攝，再用不同波長的照片合成，耗時12.5小時。要是用哈勃太空望遠鏡來拍攝，則可能需要數周的時間，而且在細節(jié)方面欠缺不少。
有好事的網友“隨手”截了幾處圖像（左排），跟哈勃望遠鏡拍攝的同一天區(qū)（右排）作了個對比。在圖像的清晰度方面，韋伯明顯已經妥妥“秒殺”哈勃。
圖源：c_victor_astro
韋伯的原理與哈勃等望遠鏡不同，它基于紅外成像，觀測人眼不可見的電磁光譜區(qū)域（紅外區(qū)域）發(fā)出的光。
它總共搭載了四種科學儀器：紅外光譜儀（NIRSpec）、中紅外儀器（MIRI）、近紅外相機（NIRCam）、近紅外成像儀和無縫攝譜儀（NIRISS ）。
它不僅可以聚焦遙遠的星云、星系團甚至系外行星，看清以前從未見過的微小結構，也可以幫助分析星系的質量、年齡、歷史和成分。
由于宇宙在不斷膨脹，最古老的恒星以及被它們照亮的事物，只會以紅外光的形式出現。韋伯有望觀測到大爆炸后僅幾億年形成的首批星系，觀測宇宙的初期狀態(tài)。
可以說，在韋伯之前，人類從未如此靠近了解宇宙的時間線。
04 韋伯如何解決大量太空數據的存儲和傳輸？
韋伯的科學儀器收集到的信息，每天可以產生高達 57 GB 的數據（實際數量取決于計劃的觀測內容）。
在其生命周期內收集的任何科學數據，都需要存儲在飛船上，因為航天器不會與地球保持全天候的聯系。從其科學儀器收集的數據一旦收集，就會存儲在航天器的 68 GB 固態(tài)驅動器中（3% 用于工程和遙測數據）。
板載存儲足以在空間用完之前收集大約 24 小時的數據。因此，在這之前，韋伯將安排機會將這些寶貴的數據發(fā)送到地球。
在150萬公里外，韋伯要完成日均57GB的數據儲存和回傳。
為了準確可靠的傳輸，科學家采用K a波段頻率來傳輸數據，這也是第一個使用K a波段頻率來實現距離地球如此之高的數據速率的任務。
韋伯通過深空網絡(DSN)與地球保持聯系——這是它與帕克太陽探測器、凌日系外行星測量衛(wèi)星、航海者探測器以及整個火星探測器和軌道飛行器共享的資源。
韋伯與地球的通信包含一個確認協議——只有在韋伯確認文件已成功接收后，它才會刪除其數據副本以清理空間。
05 韋伯的圖像，嶄新天文學時代的象征
“今天代表著探索我們宇宙的一個激動人心的新篇章，”美國副總統(tǒng)卡瑪拉·哈里斯說?！皬挠惺芬詠恚祟惥蛶е孥E仰望夜空，多虧了幾十年來一直致力于工程和科學奇跡的人們，我們才能以新的理解仰望天空?！?/p>
按照計劃，韋伯將至少服役10年。
韋伯的使命，是幫助人類繪制宇宙的時間線。宇宙第一顆恒星什么時候、在哪形成？系外行星有生命存在嗎？.......這些人們對宇宙的最根本的疑問，極有可能在韋伯那里得到答案。
這個人類史上最強太空望遠鏡，足以引領人類走進全新的天文學時代。華盛頓 NASA 總部韋伯項目科學家 Eric Smith 說：“這些圖像將是數十年奉獻、才華和夢想的結晶——但它們也只是一個開始?！?/p>
參考資料
1）Natalie Wolchover, The Webb Space Telescope Will Rewrite Cosmic History. If It Works, www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203, 翻譯/游識猷的微博
2）《人類史上首次發(fā)布深空宇宙高清圖像！來自造價 100 億美元的最貴「相機」》作者/ 張成晨，愛范兒（ID：QbitAI）
3）《NASA發(fā)布史上最深的宇宙全彩照！韋伯如何回傳150萬公里外的太空數據？》 作者/Mickey，大數據文摘（ID：BigDataDigest）
4）《宇宙大爆炸后一瞬首次清晰拍到！造價百億美元的韋布望遠鏡，發(fā)布130億年前的太空圖景》 作者/楊凈、豐色，量子位（ID：QbitAI）
5）《NASA花了百億美元，只為遙望這138億年前的“未來”》作者/光譜杜晨，硅星人（ID：guixingren123）
6）Webb's First Images Gallery, Space Telescope Science Institute. https://webbtelescope.org/news/first-images/gallery