韦伯太空望远镜的秘密：它是怎样开启了天文新时代的？
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编者按：最近，耗时几十年耗资百亿美元打造的韦伯太空望远镜终于披露了第一批图像。绚丽的太空景象以及来自 130 亿年前宇宙诞生之初的信号确实令人震撼。但是，韦伯是如何捕捉到这些景象的呢？它又能帮助我们回答哪些问题？天文学的下一个时代又有哪些值得期待的地方呢？本文为你揭秘。文章来自编译。
哈勃捕捉到的天鹰星云创生之柱的图像对比。左图为捕捉到的可见光图像。右图为红外摄影图像，可穿透大量模糊尘埃大气，让我们看到一个不那么熟悉的创生之柱。来源：NASA, ESA/哈勃及 Hubble Heritage Team
如果你站在时代广场眺望天空，想要认出一颗星星的话，作为一名纽约人，我会说你很蠢。
为了捕捉到哪怕是最微弱的一瞥惊鸿，你也必须眯着眼睛，排除荧光路灯、闪烁的广告牌、跳动的股市行情等照明的干扰物。你最好乘火车到北部一百英里左右的地方。去到那里之后，观星就不再费功夫了。无论你喜不喜欢，令人叹为观止的璀璨星河都会笼罩着你。
但即便去到最深、最黑暗、最遥远的地方，你永远也无法用肉眼看到每一颗星星。哪怕是用你最喜欢的，现成的光学望远镜，你在视野之内也无法发现所有的星系、星云、系外行星、类星体——这份清单我还可以继续列下去。在你的视野之外，还有数不清的宇宙现象。只是我们人类的眼睛的构造，并不能看见它们发出的光。那种光叫红外光。
也就是说，有很多的太空宝物我们是看不见的。不过，幸运的是，这并不意味着它们超出了我们的能力范围。
正如斯蒂芬·霍金曾经说过的那样，人类之所以独一无二，是因为我们总能找到一种超越人类极限的方法。我们“用我们的头脑和我们的机器”来做到这一点。确实，经过这些年的努力，天文学家已经开发出极好的红外探测解决方法——最终为 NASA 的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）铺平了道路。
突破人类的限制
像 NASA 的哈勃（Hubble）与斯皮策（Spitzer）这样预算高昂的太空望远镜已经发现了一些宇宙的红外秘密。这些太空望远镜内置了可对太空中这种难以捉摸的光进行扫描的仪器，在收集到红外线之后，再将这些信息转化为人类瞳孔可以理解的信号。而这反过来，又能让我们能够看到宇宙当中许多肉眼往往看不见的东西。
下图是我们宇宙当中光线最微弱的一批星系，是由哈勃的红外探测器发现的。
哈勃通过红外探测镜头看到的那些著名的深场图像。那些亮点不是星星。每一个亮点都是一个完整的星系。图片由 NASA、ESA 与 R. Thompson（亚利桑那大学）提供
不过，如果说这些大型望远镜是天文学红外探测系列剧的第一集和第二集的话，那么 NASA 强大的新型韦伯太空望远镜（JWST）就是全新的一季，7 月 12 号，这个太空望远镜拍摄的第一组完整图像刚刚发布。
JWST 的红外探测能力要比哈勃和斯皮策高出几个等级，简直可以说就是为红外探测这项工作而建造的。
著名的猎户座星云及其周边。左图是红外拍摄，右图为可见光拍摄。红外图像来自美国宇航局的斯皮策太空望远镜，可见图像来自总部位于亚利桑那州图森的美国国家光学天文台。图片由 NASA 等提供
这台开创性的望远镜是一台镀金机器，字面意义和隐含意义都是，因为它价值 100 亿美元。望远镜里面装有红外探测器，配备高科技镜头，并利用了超级强大的软件进行编程。在这些装置当中，圣杯当属所谓的近红外相机，或者叫做 Nircam。这台相机将发挥打头阵的角色，收集大量的深空红外信号，供天文学家在地面查看。
为什么人们常说 JWST 有望揭开“未经过滤的宇宙”的面纱，这就是原因。
通过 JWST 的镜头而不是标准光学望远镜观看，就像从我假想的纽约暗区而不是时代广场仰望星空一样。在这两种情况下都会看见比普通条件下多得多的无数星星在闪闪发光，哪怕你正在观看的是同一片天空。只是在我们那个打比方的暗区里，我们之所以能看到更多的星星，是因为我们没有光污染的影响。而 JWST 则是通过收集深空的红外光并为我们解码来实现成像。
大家看的都是哈勃望远镜已经观察了几十年、科学家们研究了很多年的完全相同的一片宇宙，但韦伯望远镜将能获取我们看不见的光，这有可能揭示出隐匿的宇宙现象，如剧烈的黑洞、奇异的系外行星、大螺旋星系……甚至外星生命发出的信号也说不定？
韦伯传回来的第一张照片就已经远非令人目瞪口呆可以形容。事实上，最先看到 JWST 的“第一张光学”图像的 NASA 工作人员表示，他们对眼前的这一幕感动得热泪盈眶。NASA 副局长帕姆·梅尔罗伊（Pam Melroy）说：“作为一名科学家、工程师以及作为一个人类，我所看到的东西让我感动。”
礁湖星云红外图像与非红外图像的对比。这些是 NASA 哈勃太空望远镜拍摄的图像，均为叫做礁湖星云的一个巨大的恒星托儿所的中心区域。左侧是标准光学版。 右侧为红外线版。图片由 NASA、ESA 和STScI提供
但在我们深入了解 JWST 的红外机制细节之前，我们得先谈谈电磁波谱。说得更具体一点，我们得先谈谈它给我们人类带来的一个难题。
为什么我们看不见红外线？
在你生命的某个时刻，你也许冒出过这样一个念头：看到一种新颜色会是什么样的。那将是无法形容的颜色，就像“绿色”除了“像毛毛虫一样的颜色”以外其实并没有定义一样——或者，如果你是客观的忠实粉丝，你会说“波长 550 纳米的光”。经过一番思考，我敢打赌，你会觉得你永远也不会知道“看到一种新颜色会是什么样的？”这个问题的答案了。
这是因为所谓的颜色不过是光被某些来源反射的产物。
不同波长的光决定了不同的颜色，你可以将其想象为各种比例的之字形在跳来跳去。比方说，当我们看到一把蓝色雨伞时，我们的眼睛会捕捉到防水材料发出的更紧密的蓝色波长。在欣赏火红的落日时，我们的眼睛会看到一堆更长、更宽松的红色和黄色波长。
所有各种波长都整齐地排列在所谓的“电磁光谱”上。但这就是问题所在。
电磁光谱图，上面标明了 NASA 的哈勃、斯皮策和韦伯太空望远镜各自的探测范围。图片由 NASA 和 J. Olmsted [ STScI ]提供
尽管光的波长有无限多种，但人类只能“看到”光谱的一小部分：也就是可见光区域，这个区域包含了构成彩虹的各种颜色。所以我们才永远也体会不到观看非彩虹颜色的乐趣。
我们的身体没法让我们看到其他颜色，对此我们无能无力——当然了，建造一台超级望远镜除外。
监视秘密的波长
红外光其实已经超出了可见光的范畴，所以虽然叫做红外光，但红外光其实并不是红色的。它的样子不像任何东西。其实用热特征来描述会更好——我们倒是可以“感觉到”红外波长，这就是为什么很多热成像设备都包含有红外探测器的原因。比方说，消防员不需要进入内部就可以调取红外线来了解建筑物内可能发生火灾的位置。
但对于天文学来说，红外波长的不可见性尤其成问题。
宇宙正在膨胀。不断地膨胀。这意味着，当你读到这篇文章时，恒星、星系以及类星体——那些就像宇宙手电筒一样的超级发光体——正在离地球越来越远。而当它们离地球越来越远时，它们发出的光的波长从我们的角度看就会慢慢拉伸，有点像被拉长的橡皮筋。伸展、倾斜、拉长，直到移动到光谱的红色端。它们“红移”了。
我们银河系中心的泛红色视图，好一幅璀璨星河。因为尘埃和气体云的遮挡，标准的光学望远镜通常是看不见我们银河系的中心的。但斯皮策太空望远镜的红外摄像机能够穿透大部分的尘埃，为我们揭示密集的银河系中心的恒星真容。而詹姆斯韦伯太空望远镜即将可以为我们展现比这还要壮观的景象——梳理出更暗淡的恒星以及更清晰的细节。图片由 NASA、JPL-Caltech、Susan Stolovy (SSC/Caltech) 等提供
以时间开端时诞生的恒星为例。到了某个时候，等到地球出现时，这颗恒星可能就会向我们这颗年轻的星球发射蓝光波长。但随着它离地球越来越远，随着宇宙的不断膨胀，那些蓝光波长开始朝着地球的方向拉伸，变得越来越红……越来越红……越来越红。
JWST 项目副经理保罗·盖特纳（Paul Geithner）在一项声明中表示：“红移是当光穿过膨胀的宇宙时发生的，朝波长更长的红端拉伸的现象，可用于测量距离。”
他说，事实上， JWST 的 Nircam ，“会利用拾取不同波长的滤光片拍摄一系列照片，并利用它侦测到这些图像之间的亮度变化来测算遥远星系的红移情况。”
然而，最终这些波长甚至超出了可见光谱的范围。它们开始踏入到红外线的水域——消失在我们肉眼可及的范畴。不妨再次想想那个古老恒星的例子。
现在，经过了几十亿年之后，从我们的角度来看，那些慢慢变红的波长已经移动到光谱的红外区域了，成为远古的恒星发送过来的、只是肉眼看不到的那种星光。
这张拼画里面可以看到韦伯太空望远镜所有主要仪器的成像。这些不是韦伯望远镜那张全彩色的“第一道光”的最终结果。这只是在测试产品。图片由 NASA/ STScI提供
恒星与星系及未知的宇宙
这意味着所有那些遥远的、超级罕见的、也许信息十分丰富的恒星和星系，以及被这些恒星和星系所照亮的一切，对我们来说都是不可见的。我们错过了宇宙历史的若干片段——它的开始章节。
但是由于有了可以搜索红外线的仪器，JWST 可以向我们展示那些丢失的部分。它们可以阐明宇宙在大爆炸之后刚开始时刻的样子。他们还可以发现被卫星阻挡视线的遥远的系外行星，并寻找遥远的可能揭示外星生命信号的人造光。它们将为我们提供一幅足够清晰的宇宙景象，好提醒我们，自己在浩瀚宇宙当中是多么的渺小。
哈勃望远镜拍摄的猴头星云图像。左为可见光视图，右为红外视图。虽然哈勃望远镜也具备了一定的红外功能，但与韦伯相比，则根本算不上什么。图片由 NASA与欧空局提供
另外，红外波长还有一个额外的好处，就是它的波长足够长，足以穿透物质，其中也包括又厚又庞大的星尘云。因此，如果 JWST 能够接收到从这样的云发射出来的红外光的话，它就能够描绘它的内部场景——甚至可包括古老恒星诞生时的情形。
盖特纳说：“目前尚不清楚宇宙是如何从只有氢和氦的简单状态转变成我们今天所看到的宇宙的。而韦伯望远镜可以看到遥远的太空以及我们此前从未观察过的纪元，并帮助我们回答这些重要问题。”
但 JWST 让人最为梦寐以求的，是除了科学家们几十年来一直在问的问题以外，它还可以很好地回答一些没人能想到的问题。
延伸阅读：
韦伯太空望远镜拍摄的首张全彩照片公布，揭示了130亿年前宇宙诞生之初古老星系的样子
译者：boxi。
