今年圣诞节,全世界的天文学家们大概都过不安稳。他们的心悬在南美洲北部法属圭亚那的海滨城市库鲁——在那里,詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope,以下简称韦伯望远镜)预计将随着欧洲空间局的阿丽亚娜5号(Ariane 5)火箭于美国东部时间12月25日早晨7点20分(北京时间12月25日晚8点20分)升空,前往距离地球150万公里的太空开展观测。
韦伯望远镜承载着几代天文学家对揭开宇宙终极谜题的期待。宇宙的边界在哪里?太阳系外有外星人吗?韦伯或许能够找到这些问题的答案。“它是一个开启新时代的仪器,比以前的仪器强大太多了。”北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员江林华说。
韦伯望远镜的发射,是“千呼万唤始出来”。从构想提出到定下最终发射时间,历经30余年,最早一批参与韦伯望远镜构想的青年科学家,如今已年近古稀。韦伯因此被戏称为“鸽王”:其预定的发射日期多次延宕,项目经费也如滚雪球般膨胀,从最初的5亿美元预算一路提高到100亿美元,甚至挤掉了美国宇航局(NASA)多个大型项目,以至于美国天文学界称之为“吃掉了天文学的望远镜”。
韦伯将带来什么样的发现?这一耗费巨大人力物力、承载了太多期望与梦想的项目,最终能否证明它的价值?主流的天文学理论认为,宇宙诞生至今已过了约137亿年。在最初的大爆炸(Big Bang)后,宇宙经历了一段黑暗时期(Dark Age),然后,第一颗恒星诞生了,更多的星系也随之而来。这些蕴含巨大能量的天体早在地球诞生之前就已经在宇宙中闪烁。
要观测这些光线,就需要能观测红外波段、且清晰度高的望远镜。由于地球上的大气会阻挡来自太空的大部分红外线,地面望远镜观测红外波段的能力非常有限。在太空中放置望远镜成了唯一的选择。1990年上天的哈勃望远镜在宇宙早期星系的观测上贡献颇多,目前人类观测到的宇宙最古老星系GN-z11就是由它拍摄到的,但哈勃在红外波段的观测仍然十分有限。
韦伯望远镜观测的光波长在0.6到28微米之间,涵盖了可见光到中红外光。它的设计填补了太空望远镜红外波段观测的缺口。韦伯的镜面直径为6.5米,比哈勃的2.4米直径镜面大了不少,这也意味着在同样的波段,韦伯收集光子的能力更强,可以看得更清晰。同一个波段的空间分辨率,韦伯大概是哈勃的2.7倍(即口径大小之比),收集光线的能力大约是哈勃的6.25倍。
寄托在韦伯望远镜身上的希望有多大,害怕它失败的恐惧就有多深。《自然》杂志曾经评论,如果韦伯望远镜失败,天文学的进展将“推迟一个世代”。风险客观存在。与哈勃望远镜在环地轨道运行不同,韦伯望远镜将驻扎在离地球150万公里、需要一个月才能到达的拉格朗日L2点。这意味着近地红外干扰更少,但也意味着韦伯望远镜一旦进入太空,就要依靠自身稳定性,即使出了故障也没有机会再维修。
尽管NASA的项目通常遵循“像飞行一样测试(test as you fly)”原则,即创造尽可能接近太空实际情况的条件测试飞行器,但保不准哪里会出故障。哈勃望远镜就是一个先例。1990年发射之后,它传回来的图像一片模糊,NASA才发现哈勃的镜面在磨制过程中出现设备校准失误,虽然误差仅有1/50头发丝厚度,但导致聚焦出现问题。
韦伯望远镜项目由NASA发起,欧洲空间局和加拿大空间局共同参与,中国未参与研制。不过,韦伯望远镜未禁止中国科学家申请其科研项目。2021年3月,NASA公布了韦伯望远镜第一年的“周期一”(Cycle 1)科学计划。他们从来自44个国家的科学家提交的1000多份项目计划书中选出了286份,这些团队将分享韦伯望远镜第一年6000个小时的观测数据。