伊人在线 韦布空间千里镜周年：它为奈何此超卓

本文来自微信公众号：返朴 （ID：fanpu2019）伊人在线，作家：王善钦

2022 年 12 月 14 日，《当然》杂志将詹姆斯・韦布空间千里镜的名堂科学家 Jane Rigby 评比为 2022 年度 10 东说念主之首，意义是她鼓励“韦布”告捷运行。次日，《科学》杂志将“韦布”的告捷运行列为 2022 年度十大科学突破之首。辐射于今仅一周年的“韦布”得回了哪些热切效果，以至于它与鼓励它的科学家得回如斯盛誉？它为何会如斯遒劲？它的告捷对咱们有什么启迪真义？本文将试图回应这些问题。

2022 年 12 月 14 日，《当然》（Nature）杂志公布了 2022 年度期间东说念主物（Nature’s 10），[1] 位列榜首的是詹姆斯・韦布空间千里镜（James Webb Space Telescope，以下简称为韦布，除非原文径直援用）的名堂科学家、天体物理学家 Jane Rigby。

《当然》杂志给 Jane Rigby 的名称是“天际猎手”（Sky hunter），并称她为“开拓性的天文体家”。她入选的原因是“在使詹姆斯・韦布空间千里镜参加天外并平日责任、为商榷六合提供了巨大的新才智方面饰演了关节脚色。”[1]

图：Nature’s 10 的网页截图。图片开头：[1]

2022 年 12 月 15 日，《科学》（Science）杂志列出了 2022 年度十大科学突破，位列第一的是韦布的告捷运行。[2][注 1] 相关网页尖端为韦布主镜面的一部分的艺术图。

图：《科学》杂志先容 2022 年度十大科学突破的网页尖端截图。图片开头：[2]

韦布与鼓励它的天文体家得回的荣誉是韦布得回巨大告捷的一个佐证。那么，辐射于今仅一周年的韦布得回了哪些热切效果，以至于它与鼓励它的科学家得回如斯盛誉？它为何会如斯遒劲？它的告捷对咱们有什么启迪真义？

图：韦布的艺术思象图。图片开头：[3]韦布得回了什么效果？

从 2021 年 12 月 25 日起飞运行，韦布也曾在天外中渡过了整整一年时候。在这一年时候里，大地上的科学家们先用约半年时候让它已毕了轨说念转变、几百个操作与测试。而后，韦布参加不雅测景色，天文体家将它得回的第一批不雅测数据惩办为图像，于 2022 年 7 月 11 与 12 日先后公布。

这批图像包括：星系团 SMACS J0723.3-7327 方位的天区的永劫候曝光像片、系新手星 WASP-96b 的母恒星 WASP-96 的光变弧线与透射光谱图、南环状星云的图像、5 个星系组成的“斯蒂芬五重奏”（Stephan's Quintet）的图像、船底座星云的一派区域（NGC 3324）的图像。咱们此前也曾先容过这批限制，此处不再赘述，有风趣的读者可点击阅读《百亿好意思元投资获报告：韦布空间千里镜的第一批像片有多强？》。

第一批图像的品性与明晰度既称心了公众的审好意思，更称心了专科的天文体家的条目，阐扬了韦布的超卓性能。不错说，韦布出说念即巅峰。在这个巅峰之后，韦布并未走下坡路，而是在不同的限制连接攀高新的巅峰。

咱们不错分限制简便总结第一批效果与于今得回的新效果。

在“深场”限制，韦布不雅测了不同的天区，拍摄到广宽高红移（远距离）星系，其中一些星系的距离冲破此前由“哈勃”不雅测到的最远距离星系保执的记载。对这些星系的深远商榷将径直深化东说念主类对早期六合内星系性质的意志。韦布在这方面的告捷让东说念主们坚信它有望发现六合第一代星系与第一代恒星，它们造成于六合大爆炸之后约莫 1-2 亿年。

图：韦布在当年“哈勃超等深场”（Hubble Space Telescope’s Ultra Deep Field）名堂不雅测的区域进行不雅测后得到的红外深场伪色图。韦布的近红外光谱仪（NIRSpec）得回了其中一些星系的光谱，图中给出了其中 4 个星系的红移：13.20、12.63、11.58 与 10.38。在红移为 13.20 时，六合年岁不足 4 亿年。图片开头：[4]

在星系限制，韦布拍摄了“斯蒂芬五重奏”、车轮（Cartwheel）星系、当作星系 NGC 7469 等星系的图像。对这些星系的不雅测与商榷为东说念主们了解这些星系内的恒星、气体与尘埃漫衍等信息提供了热切依据。

图：由韦布的近红皮毛机得回的数据合成的 NGC 7469 的伪色图，昭彰的中枢使其图像出现了昭彰的衍射芒。图片开头：[5]

在星云限制，韦布拍摄了南环状星云、船底座星云、狼蛛星云、猎户座星云与“创生之柱”的图像。这些不雅测为天文体家深远商榷中小质地恒星演化末期、胚胎阶段的恒星（“原恒星”）过甚周围相对冷的尘埃与气体盘的性质等课题提供了热切撑执。

图：由韦布的近红皮毛机得回的数据合成的“创生之柱”的伪色图（左）与由韦布的中红外开辟得回的数据合成的“创生之柱”的伪色图（右）。图片开头：[6]

在太阳系内天体限制，韦布不雅测了木星、火星、海王星与土卫六等天体系统。韦布得到的图像证实了它在这方面的才智也进步了预期，将来韦布对太阳系内天体的不雅测将深化东说念主们对它们的性质以及太阳系发源的意志。

图：由韦布的近红皮毛机得回的数据合成的海王星系统的伪色图。图中表示出海王星的多层环与 14 颗卫星中的 7 颗：海卫一（Triton）、海卫六（Galatea）、海卫三（Naiad）、海卫四（Thalassa）、海卫五（Despina）、海卫八（Proteus）与海卫七（Larissa）。由于海卫一呈点状且较亮，因此衍射效应导致的六角芒很昭彰。图片开头：[7]

在系新手星（太阳系外的行星）限制，韦布用凌星法拍摄了系新手星 WASP-96b 的母恒星 WASP-96 的光变弧线与透射光谱图，并用径直成像法拍摄了系新手星 HIP 65426 b 的图像。分析标明，韦布用径直成像法探伤行星的才智是预期的 10 倍。固然韦布不是第一个、更不是唯独能用这种门径拍摄系新手星图像的千里镜，但它在红外不雅测方面的独到上风是其他广宽千里镜不具备的。将来韦布对系新手星的不雅测将有望匡助东说念主们说明近似于地球的系新手星。

图：韦布的近红皮毛机（NIRcam）与中红外开辟（MIRI）拍摄的系新手星 HIP 65426 b 在 3.067 微米、4.397 微米、11.307 微米与 15.514 微米 4 个波段上的图像（下方小图，循序由左到右）。大图为数字化巡天（DSS）拍摄的恒星 HIP 65426 方位的天际的中的群星。图片开头：[8]

在超新星限制，韦布在 2022 年发现了 4 颗超新星。[注 2] 在当前多样大视场千里镜浓烈竞争的时势下，视场很小的韦布根原来不足发现那些近距离超新星就会被其他千里镜抢先，因此它发现确切切只可吊问常远的超新星，它们的特质是暗到其他口径相对小的千里镜无法实时发现。韦布在将来不错发现更多极远距离的超新星。[注 3]

韦布为何会如斯遒劲？

韦布的巨大告捷来自自己主镜与仪器的先进功能，以及曩昔广宽千里镜研制流程中提供的正面履历与反面履历。

领先，韦布的主镜与仪器尽头先进。它的口径（6.5 米）重大于此前的“哈勃”的口径（2.4 米）以及斯皮策红外空间千里镜（“斯皮策”）的口径（0.85 米）。

图：从上到下离别表示了“斯皮策”、“哈勃”与韦布的大小。固然图中的韦布的直径被鲜艳为 6.6 米，但其等效口径为 6.5 米。图片开头：[9]

因此，在不雅测一样的红外波段时，韦布的分辨率比“哈勃”与“斯皮策”高得多。正因为口径大得多，韦布不雅测一样宗旨、得回一样品性的图像需要的不雅测时候就短得多，因此效力高得多。

图：左与右离别是“斯皮策”上的红外阵列相机（IRAC）与韦布的中红外开辟（MIRI）拍摄的大麦哲伦云（大麦云，LMC）星系内的一派区域的图像。二者不雅测波长确切统长入样（8.0 微米 vs 7.7 微米），但韦布的图像的分辨率昭彰远进步“斯皮策”的分辨率。图片开头：[10]

韦布辩认地球，它具有 5 层驻守罩且其中的红外开辟佩带颠倒的制冷机，因此可不雅测的波长极限（28 微米）远进步哈勃可不雅测的波长极限（不进步 2.5 微米），因此不错发现“哈勃”无法发现的广宽对象，如深藏于星云中的原恒星。

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图：在韦布得到的船底座星云部分区域的近红外图像中，天文体家找到了此前未被“哈勃”等千里镜发现的二十多个喷流与外流。图中圈出的区域齐被放大后置于右方。这些区域齐表示出分子氢外流（molecular hydrogen outflows），区域 2 还表示出喷流（jet）与弓形激波（bow shock）。图片开头：[11]

其次，在韦布之前，东说念主类已辐射了无数空间千里镜，这些千里镜遮掩了电磁波除射电波段以外的整个波段：伽玛射线、X 射线、紫外线、光学（可见光）、红外线与微波。[注 4] 以红外空间千里镜为例，早在 1983 年，东说念主类就辐射了“红外天文卫星（The Infrared Astronomical Satellite，IRAS），它是东说念主类历史上第一个红外空间千里镜。这些空间千里镜尤其是红外空间千里镜的研制与辐射流程中麇集的时候为韦布提供了无数正面履历。

图：IRAS 的艺术思象图。图片开头：[12]

以时候模仿为例，韦布上的中红外开辟（MIRI）采用的制冷机模式，“哈勃”的 NICMOS 在 2002-2008 年间就行使过；韦布的镜面镀上黄金薄层，增强反射率，此前的“红外空间千里镜”（The Infrared Telescope in Space，IRTS）与 Akari 卫星用过这个有诡计；韦布用铍锻造镜坯，以普及硬度、温度妥贴性并镌汰分量，此前“斯皮策”千里镜采用了这个有诡计。

图：在奉行 X 射线和低温测试之前，波尔航天公司（Ball Aerospace）首席光学测试工程师 Dave Chaney 查抄韦布的主镜面中的 6 片。图片开头：[13]

除了模仿上述源自空间千里镜的有诡计以外，韦布还模仿了大地大千里镜的多镜面拼接时候。这个时候是大地上 10 米级光学千里镜无边采用的有诡计，一些 6-8 米级千里镜也使用这个有诡计。它亦然将来的 30-40 米级大地光学千里镜的主流有诡计之一。因此咱们不错说韦布是站在巨东说念主肩膀上的巨东说念主。

图：韦布的主镜面由 18 块正六边形镜面拼接而成，每块镜面的边长约为 0.75 米，面积约为 1.4 平方米，18 块镜面的总面积为 25.4 平方米，拼接成等效口径约为 6.5 米的镜面。图片开头：[14]

韦布遒劲的第三个身分在于充分给与了曩昔一些履历，尤其是“哈勃”的惨痛履历。当年工程师磨“哈勃”的主镜时的细小偏差，导致“哈勃”的镜面无法精确聚光，从而导致整个仪器齐受到影响，这不仅让 NASA 在其后付出了上亿好意思元的代价开辟“哈勃”，弥远糟跶一个仪器占位（用于装配光学立异器 COSTAR），还使哈勃的性能在 1990 年-1993 年的 3 年间受到了很大负面影响。直到 1993 年年底，NASA 的宇航员奉行了维修贪图，才让“哈勃”一雪前耻、径直封神。

图：1993 年 12 月，NASA 的宇航员 Story Musgrave 与 Jeffrey Hoffman 在天外中维修“哈勃”。图片开头：[15]

“哈勃”的几年失败期使韦布的研发团队无比严慎，韦布的辐射日历也一再推迟，其预算全部攀升到 100 亿好意思元。这么的严慎是必须的，因为韦布的轨说念高度比“哈勃”轨说念高度高几千倍，达到 100 多万千米，比月球还远得多。一朝韦布出了问题，整个不能能派东说念主上去维修。从韦布起飞到运行责任，它必须在大地工程师的遥控下奉行 344 个关节形式，任何一个形式出错齐将宣告它的厌世。这么的严慎与耐性为韦布出说念即巅峰打下了最坚实的基础。

韦布遒劲的第四个身分在于工程师与科学家们又发展了无数新时候。韦布的复杂进度远进步此前整个的红外空间千里镜，本体上它的复杂进度进步了整个千里镜，是东说念主类于今为止最复杂的开辟之一。

图：韦布上头的近红皮毛机（上）与中红外开辟（下）。图片开头：[16]

由于它的复杂性，东说念主们不能能仅免强此前的一些时候来已毕宗旨，而需要束缚发展新的时候。从它里面整个的仪器的联想与制造，到 5 层遮阳罩的联想、制造、折叠与伸开，到千里镜主体部分的折叠与伸开，到各镜面对焦，等等，整个这些流程齐充满挑战性，因此让全天下最理智的一部单干程师与科学家们破坏了无数的灵巧与心血。

图：工程师与时候东说念主员查抄韦布的 5 层遮阳罩。图片开头：[17]韦布有什么启迪真义？

韦布的告捷不仅是它自己的告捷，也大大激勉了东说念主们对其他空间千里镜名堂的信心。更热切的是，它的告捷会在多个方面启迪咱们。

韦布的告捷领先告诉整个有志于得总结要效果的东说念主与团队一个最简便的好奇好奇：富有的耐性、真贵与灵巧是得总结要效果的基本条目。不仅韦布如斯，此前的激光插手引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）亦是如斯，好几代物理学家与工程师勇往直前，终于使它成为天下上第一个探伤到引力波的仪器。

图：LIGO 位于 Livingston 与 Hanford 的两个开辟在大地上的部分的外不雅。图片开头：[18]

韦布的告捷也进一步阐扬了大科学（Big Science）的价值。曩昔一百多年来，与不雅测与实验谋划的科学商榷需要付出的代价越来越大，为之干事的团队也越来越浩瀚，一个实验室触及几百东说念主以至几千东说念主的情况已不鲜见，这使得科学走向了大科学的期间。

在浓烈的科技竞争中，不同的国度濒临着难懂的抉择：是聘任风险小而适当的名堂，照旧聘任风险大而收益高的大科学名堂？这对一个国度科技限制的决策造成了挑战。韦布的告捷让东说念主们对充满风险也充满但愿的大科学名堂更有信心。

韦布的告捷还为后头更宏大的宗旨确立了标杆。将来东说念主们不错用更好的载具辐射更大的红外空间千里镜与不雅测其他波段的空间千里镜。

咱们欲望韦布在将来十年得回的数据大致重塑东说念主类对太阳系内天体和太阳系的造成机制的意志，加深东说念主类对系新手星与地外生命、星系、千般天体的造成与爆发以及六合自己的意志。咱们更但愿将来会有比韦布更遒劲的千里镜飞翔天外，让东说念主类的学问体系进一步升华。

图：东说念主类看到 Webb 的终末一眼。图片开头：[19]

刺眼

[注 1]《科学》杂志公众号的中语著作（https://mp.weixin.qq.com/ s / I6kBfXwS24dDSG3le65zWg）称韦布为“NASA 的明星级新式天外千里镜”，这是不严谨的说法，因为韦布并不是好意思国国度航空航天局（NASA）独自领有的，而是由 NASA、欧洲空间局（ESA）与加拿大空间局（CSA）共同投资建设的。

[注 2] 韦布于 2022 年 6 月 22 日发现超新星 AT2022owj，这是它发现的第一颗超新星。

[注 3] 举例，它发现的 AT 2022qmm 在被发刻下的星等是 24.1 等，远暗于其他大多数千里镜大致不雅测到的极限（一般不暗于 21 等）。

[注 4] 东说念主们莫得辐射射电千里镜到天外的原因是：大多数射电千里镜在大地上基本不受大气影响，少数条目很高的射电千里镜在干燥的高原萧索区也会责任地很好。此外，射电千里镜需要更大得多的口径才不错得到与光学千里镜同等的分辨率，而在此前与当前，辐射几十米口径的射电千里镜到天外是不试验的。

参考文件 / 图片开头

[1]https://www.nature.com/immersive/d41586-022-04185-3/index.html

[2]https://www.science.org/content/article/breakthrough-2022#section_breakthrough

[3] Northrop Grumman

[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)。

[12]NASA/JPL

[13]NASA/MSFC/David Higginbotham

[14]NASA

[15]NASA

[16] Lockheed Martin（上）；Science and Technology Facilities Council（下）

[17] Northrop Grumman Aerospace Systems

[18]https://www.ligo.caltech.edu/LA

[19] NASA， ESA

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