上周，世界齐聚一堂，罕见地展示了国际团结，惊奇地凝视着詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄的第一批科学图像。经过数十年的制造和全球数千人的努力，这款望远镜将通过让我们比以往任何时候都更深入地观察宇宙，从而彻底改变天文学。
韦伯拥有有史以来发射到太空的最大镜子和最大的遮阳板，它是有史以来最强大的太空望远镜。第一张图片只是对这项非凡技术的能力的一种体验。因此，为了更多地了解这个庞然大物将支持哪些未来的科学研究，我们采访了欧洲航天局的韦伯跨学科科学家 Mark McCaughrean。
麦考林将成为首批使用韦伯进入猎户星云的研究人员之一，他参与望远镜的规划已有 20 多年。他向我们讲述了韦伯将如何推动天文学的前沿，并实现我们甚至还没有开始想象的发现。
用红外线看宇宙
当天文学家在 1980 年代第一次开始想象韦伯时，他们有一个具体的计划：他们想要一个宇宙学研究工具来回顾宇宙中最早的星系。
科学家们知道这些早期的星系就在那里，并且我们很容易接近，因为哈勃太空望远镜观察到了一些相当早期的星系。当观察可见光波长时，哈勃可以识别出数百个这样的星系，它们是在大爆炸后几亿年内形成的。但是这些星系已经形成了，研究人员想要更进一步地回顾，看看它们实际上是在形成的。
为此，他们需要一种能够在可见光之外的红外波长范围内观察的工具。这是因为最早的星系就像今天的星系一样发出可见光。但宇宙正在随着时间的推移而膨胀，这意味着我们在天空中看到的星系正在远离我们。星系越老，距离越远。而这个距离会导致一种叫做红移的现象。
与多普勒效应类似，在多普勒效应中，声音随着源与观察者之间距离的变化而改变其感知音高，光的波长随着源远离我们而改变。这种光移动到光谱的较红端，因此称为红移。
因此，最古老的星系的光发生了如此大的红移，以至于它不再作为可见光被观察到。相反，它以红外线的形式可见——这是韦伯工作的波长。
这就是韦伯能够探测和识别最早的星系的方式。如果韦伯能看到一个在红外线中发出明亮光芒的星系，但对于像哈勃这样的主要可见光望远镜来说却是暗淡或不可见的，那么研究人员可以确信他们已经找到了一个红移极大的星系——这意味着它非常很远，因此很古老。
即使在韦伯的第一张深场图像中，你也可以看到一些极其古老的星系。作为图像焦点的星系团已有 46 亿年的历史，但由于它的质量，它使周围的时空弯曲。这意味着来自该星团后面星系的光也被弯曲，因此该星团就像一个放大镜，具有称为引力透镜的效应。在这个深场中看到的一些星系大约有 130 亿年的历史，这意味着它们形成于宇宙的最初十亿年。
扩展以做更多
如果 Webb 最初被概念化为一种宇宙学工具，那么它很快就会扩展到远不止于此。
经过数十年的韦伯计划，设计师们意识到他们正在构建的工具可以用于比宇宙学更多样化的领域。他们增加了新的仪器，比如 MIRI，它观察的是中红外波长而不是近红外波长，对于研究恒星和行星的形成比宇宙学更有用。这种差异带来了自己的挑战，因为该仪器具有与其他仪器不同的探测器，并且需要自己的冷却器。但是，与其他乐器一起，它将 Webb 可以做的事情扩展到一系列可能性。
“望远镜最初的焦点更多地集中在高红移宇宙上，”麦考林总结道。 “那是最高的目标，找到大爆炸后形成的第一批恒星和星系。之后的一切都是“很高兴拥有”。但随着项目的推进，我们设法将其转化为四个主题：宇宙学、恒星形成、行星科学和星系演化。我们确保天文台能够满足所有这些需求。”
照相机和光谱仪
韦伯船上有四种仪器：近红外相机或 NIRCam、近红外光谱仪或 NIRSpec、近红外成像仪和无狭缝光谱仪或 NIRISS，以及中红外仪器或 MIRI。还有一个称为精细引导传感器（FGS）的传感器，它有助于将望远镜指向正确的方向。
这些仪器是相机和光谱仪的组合，它们是将光分成不同波长的仪器，因此您可以看到哪些波长已被吸收。这使您可以通过查看对象发出的光来了解对象的组成部分。
虽然相机拍摄的图像最受公众关注，但光谱仪作为一种科学工具不应被低估。目前分配的观测时间中约有一半专门用于光谱学，用于分析系外行星大气成分等任务。部分原因是拍摄一个物体的光谱比拍摄它的图像需要更多的时间，部分原因是光谱可以做成像不能做的事情。
相机和光谱仪也可以一起工作，因为成像中使用的过滤器对于选择要使用光谱仪研究的对象很有用。
“想象一下，你做了一个深场，用 NIRCam 拍摄一些深度图像，”McCaughrean 解释道。 “然后你使用不同的过滤器来选择候选人，因为在那个领域会有太多的东西需要用光谱学来一一查看。因此，您需要通过成像来找到候选对象”，例如通过查看图像中的颜色来确定给定物体是，例如，高红移星系而不是附近微弱的恒星。
这已经在实践中得到了证明，韦伯的第一个深场图像。成像是使用 NIRCam 相机完成的，它能够在一张令人惊叹的图像中捕捉到近处和远处的大量星系。然后用 NIRSpec 光谱仪挑选出特定的目标，比如一个超过 130 亿年的星系，并进行观察，收集有关这个早期星系的组成和温度的数据。
“这是一个如此美丽、干净的光谱，”麦考林说。 “以前没有人从任何地方看到过这样的事情。所以我们现在知道这台机器的功能非常强大。”
多种模式
要了解 Webb 的全部功能，您应该知道这四种仪器不只有一种模式——它们可以以多种方式用于查看不同的目标。四种仪器之间总共有17 种模式，在宣布望远镜准备开始科学运行之前，每种模式都必须经过测试和验证。
例如，以 NIRSpec 仪器为例。它可以执行多种类型的光谱学，包括固定狭缝光谱学，这是一种用于研究单个目标的高灵敏度模式（例如分析通过合并称为千新星的中子星发出的光），或场单元光谱学，它查看光谱在一个小区域上使用多个像素来获取有关目标的上下文信息（例如查看已被引力透镜扭曲的极其遥远的星系）。
NIRSpec 所做的第三种光谱学是一种非常特别的东西，称为多目标光谱学。它使用微小的窗状百叶窗，排列成一种称为微快门阵列的格式。 “它们基本上是几厘米宽的小型设备，我们有四个。在这些设备中的每一个中，都有 65,000 个单独的小百叶窗，”麦考林说。
这些百叶窗中的每一个都可以单独控制打开或关闭，从而使研究人员可以选择他们正在查看的领域的哪些部分。为了使用这些微型快门，研究人员首先使用另一种仪器（如 NIRCam）拍摄图像以选择感兴趣的对象。然后他们命令与这些感兴趣的对象相对应的百叶窗打开，而其他的则保持关闭。
这允许来自目标（例如特定星系）的光照射到望远镜的探测器上，而不会让来自背景的光也泄漏出去。 “通过只打开星系所在的门并关闭所有其他门，当光线从那个物体穿过时，它会扩散到光谱中，而你不会让所有其他光线通过，”麦考林说. “这使它更敏感。”
这种多目标光谱可用于观察深场图像中的特定星系，这对于研究高度红移的最早星系特别有用。而且这种方法能够一次从多达 100 个物体中获取光谱——使其成为一种非常有效的数据收集方式。
处理过多的光线
正如微型快门所展示的那样，使用高灵敏度仪器的一个棘手部分是处理过多的光线。以詹姆斯·韦伯 (James Webb)将在其运行的头几个月在木星上所做的工作为例——实际上很难对木星周围的环和卫星进行成像，因为这颗行星本身是如此明亮。如果你试图观察的微弱物体靠近一个非常亮的物体，它可能会破坏你的读数，所以你看到的只是来自较亮物体的光。
当你试图观察遥远的系外行星时，也会出现类似的问题，与它们环绕的恒星相比，它们非常暗淡。为了应对这一挑战，詹姆斯韦伯有另一个技巧，称为日冕术。
NIRCam 和 MIRI 都有日冕模式，最简单的形式是在明亮的物体前面放置一个小金属盘来阻挡它的光。然后，您可以更轻松地观察周围其他较暗的光源。但是这种方法有其局限性：如果明亮的物体在圆盘后面移动，它的光会溢出边缘并破坏观察结果。你可以把圆盘做得更小，这样它就可以挡住物体的中心最亮的点，但是你仍然有很多多余的光需要处理。你可以把圆盘做得更大，但它会挡住靠近明亮物体的其他物体。
因此，这种日冕模式还有另一种形式，它使用称为四象限相位掩模的硬件。 “这是一个非常聪明的光学器件，”麦考林说。 “它没有金属盘，但它有四块不同的玻璃，它们赋予进入的光不同的相位。当我们将光视为波而不是光子时，光是有相位的。如果你把明亮的光源放在这四个不同相
位板相交的十字上，你可以计算出，由于波干涉效应，光线实际上会从恒星上抵消。”
这意味着如果你把它排列得恰到好处，使明亮的物体正好位于这些象限的中间，来自恒星的光将被抵消，但来自其他物体（如行星）的光仍然可见。这使得它非常适合观察围绕其宿主恒星运行的系外行星，否则这些恒星可能无法看到。
善用时间
另一种处理混合明亮和暗淡物体的方法是随着时间的推移获取多个读数。不像你的手机，它会拍照然后立即重置，韦伯中的探测器可以在不重置的情况下获取多个读数。
“因此，随着时间的推移，我们可以使用同一个探测器拍摄一系列照片，因为它会从微弱的光源中收集光线，”McCaughrean 解释说。 “但是当我们查看数据时，我们可以在明亮的光源饱和之前使用第一张图像，然后继续从微弱的光源中积累光线并获得灵敏度。它通过多次读取探测器有效地扩展了动态范围。”
仪器可以运行的另一种模式称为时间序列观察，它基本上只是一个接一个地读取许多读数，以捕捉随时间变化的物体。这对于捕捉闪光的物体很有用，例如称为磁星的脉冲中子星，或者用于观察以一种称为凌日的运动穿过其主星表面的系外行星。
“当一颗行星在恒星前面凌日时，你想在凌日的边缘和凌日的中间抓住它，”麦考林说。 “所以你只是继续看它，你继续收集数据。”
这种方法的一个挑战是它需要望远镜保持近乎完美的对齐，因为即使它稍微移动，也会在数据中引入噪声。但好消息是，望远镜在指向物体和保持原位方面表现非常出色，这要归功于锁定附近恒星并针对太阳风等任何干扰进行调整的精细引导传感器。
与韦伯合作的挑战
与每一项技术一样，Webb 的功能也受到限制。对于使用韦伯的科学家来说，最大的实际限制之一是他们可以从望远镜收集的数据量。与绕地球运行的哈勃不同，韦伯在称为 L2 的位置绕太阳运行。
那距离地球大约 100 万英里，因此韦伯配备了强大的无线电天线，可以以每秒 28 兆比特的速率将数据发送回地球。这非常令人印象深刻——正如 McCaughrean 指出的那样，这比我们用来通话的酒店的 Wi-Fi 快得多，即使在更远的距离上——但它并不接近仪器可以获取的数据总量每秒。
天文台确实有少量的固态存储，大约 60 GB ，如果仪器收集的数据多于可以发回的数据，它可以在短时间内记录数据，充当缓冲区。与您通常在手机或笔记本电脑上获得的存储类型相比，这听起来可能并不多，但对防辐射安全且可以使用数十年的硬件的要求却大不相同。
这种限制意味着研究人员必须选择他们在望远镜下行链路中优先考虑哪些数据，只选择最符合他们需求的数据。您可能想知道为什么在这种情况下韦伯的位置不离地球更近，但 L2 轨道对其运行方式至关重要——原因在于温度。
“人们认为太空是冷的，好吧，如果你靠近一个像地球或太阳这样每天都在加热你的大物体，则不然，”麦考林说。 “所以如果你想观察红外线，你需要确保你的望远镜非常冷，所以它不会以你试图探测的波长发射。”这就是为什么韦伯有一个巨大的遮阳板来帮助它保持凉爽，以及为什么它位于 L2，这样遮阳板就可以阻挡来自太阳和地球的热量。
“我们已经建立了一个天文台，它需要在 L2，它需要在那里变冷，这样它才能提供这项科学。而且因为它位于 L2，我们只有一定的带宽，”McCaughrean 解释说。 “天下没有免费的午餐，就这么说吧。”
社区决定
韦伯观测的第一年是精心策划的。在科学运营的前五个月，它将致力于早期发布的科学计划，这些计划旨在突破 Webb 硬件的极限，看看它的能力。在第一年，它将致力于已被选入第 1 周期的项目，包括对系外行星、黑洞、深场等的研究。
不过，除此之外，使用 Webb 完成的未来工作在很大程度上是开放的。研究人员提交了他们想要使用 Webb 收集哪些数据的提案，这些提案经过同行评审，以选择那些在科学上最有趣的提案。 “社区决定如何处理天文台，”麦考林说。
这种社区参与已经改变了韦伯的使用方式——例如，在第一轮研究中，系外行星研究目前占用了大约三分之一的可用观测时间。当 McCaughrean 和他的同事在 2000 年代初计划如何使用 Webb 时，他们没有想到会有这么多的系外行星研究正在进行，因为当时发现的系外行星很少。
这使得韦伯不同于具有非常特定目的的任务，比如专门为制作银河系 3D 地图而设计的欧空局盖亚天文台，更像是为满足许多研究需求而设计的哈勃望远镜。 “这绝对是一个通用天文台，”麦考林说。 “你只需要看看哈勃望远镜以及它多年来是如何发展的。部分是通过安装新仪器，但主要是通过科学界决定有不同的优先事项和需要完成的不同领域。”
这种灵活性是可能的，因为 Webb 的设计目的是对许多领域的研究有用——包括我们还没有想到的应用程序。韦伯预计将持续至少 20 年，而我们才刚刚开始探索它在这段时间内能做什么。
“这是令人兴奋的事情。如果你建立一个非常强大、非常有能力的通用天文台，它在很多方面都会受到社区创造力的限制，”麦考林说。 “韦伯就是我们现在所做的。”