天文学家们正在争先恐后地迎接一个迅速逼近的命运之约——一个比以往任何时候都更远地凝视宇宙隐藏深处的机会。
经过数十年的发展，耗资近 90 亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于 2019 年春季从法属圭亚那发射升空。韦伯是与欧洲和加拿大航天机构合作建造的，是美国宇航局有史以来最大、最昂贵、功能最强大的天文台，拥有 6.5 米的主镜，这将是太空中最大的主镜。
与主要用于收集可见光和紫外光的著名前辈哈勃太空望远镜不同，韦伯经过优化，可以观测宇宙中的红外线。在某些波长下，红外光几乎可以毫发无损地穿过尘埃，就像阳光穿过窗玻璃一样；在另一些波长下，红外光与物质混合，带走其原子和分子结构的印记。它也是我们从最遥远（和最古老）的恒星获得的最亮的光，因为它们原本可见的光在宇宙膨胀的 130 多亿年中被拉伸到更长、更红的波长。韦伯的红外眼睛使其兼具 X 射线扫描仪、质谱仪和时间机器的功能。有了它们，它将穿透吱吱作响、尘土飞扬的宇宙时代，研究天文学家使用哈勃和其他望远镜几乎才开始瞥见的东西：宇宙最早的星系、在星云状子宫中孕育的新生恒星和行星、太阳系内外世界的 大气层。
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寿命是哈勃和韦伯之间更大的区别。得益于一系列对其在近地轨道位置进行的翻新任务，哈勃正接近其运营的第四个十年，这一寿命帮助它成为人类历史上最具生产力和革命性的科学仪器。然而，韦伯将驻扎在深空，越过月球轨道，超出轻松维修的范围。它的预期寿命至少为五年——如果一切按计划进行，甚至可能为十年。对于希望从韦伯有限的寿命中挤出堪比哈勃水平的发现的天文学家来说，望远镜的每一刻时间都将是宝贵的。
詹姆斯·韦伯太空望远镜（中心）及其多样化科学能力（周围的六边形）的艺术家渲染图。韦伯设计用于在红外波长下运行，其四种科学仪器将对古代星系、新生恒星和绕其他太阳运行的行星进行突破性观测，同时还将研究我们太阳系内的众多天体。 来源：STScI 和 NASA
攀登韦伯的学习曲线
空间望远镜科学研究所 (STScI) 所长肯·森巴赫说：“韦伯的寿命有限，代表着巨大的智力、 финансовые 和技术投资，因此我们需要立即行动起来，让它的科学成果流动起来。”“但是会有一条陡峭的学习曲线。我们希望使这条曲线尽可能快速且易于攀登。”
数百名研究人员花费数十年时间开发望远镜的硬件、软件和核心科学目标，他们将成为第一批攀登这条学习曲线的人。这个精英团队的每位成员都保证获得韦伯总时间的一小部分但意义重大的份额，望远镜第一年的大部分观测（称为“周期 1”）都用于履行这一义务。这些研究团队已经非常熟悉望远镜的功能，并且可以优先选择指向的位置，预计他们将产生韦伯一些最具变革意义的发现。 那些初步结果随后可以指导世界其他天文学家，因为他们争先恐后地在韦伯消失之前使用它。 除非，在望远镜开发早期就制定了规则，允许执行这些“保证时间观测”的研究人员将其结果保密一年。
加州大学圣克鲁兹分校的天文学家加斯·伊林沃思说：“在‘大数据’时代，对于一项耗资 80 亿美元、由公共资源资助且寿命为五年的任务来说，这种延迟‘是一个非常过时的概念’。”他还是韦伯的一个有影响力的咨询委员会的主席。“一年的专有期实际上意味着，这种隐藏的、不可用的数据无法及时被天文学界看到，以便在 [韦伯] 任务开始三年多后进行后续研究。”在游说更改这些规则失败后，伊林沃思转而创建了一个新的“早期发布科学” (ERS) 计划来规避它们——在周期 1 中预先加载最多 500 小时的多样化观测，立即向公众发布，让所有天文学家有机会吸收结果并将经验教训应用于他们自己的韦伯提案。
ERS 的宝贵时间将直接来自森巴赫。作为 STScI 的主任，他掌握着韦伯可用时间的 10%，并且在 11 月 13 日，他宣布了从世界各地大型研究团队提交的 100 多份提案中最终选定的 13 份 ERS 提案。 每个成功的提案不仅将利用韦伯追求新颖的科学，还将开发新的工具和技术来使用望远镜，所有天文学家随后都可以使用这些工具和技术。 森巴赫说：“将这些实质性的计划置于公共领域，使每个人都处于更公平的竞争环境中。”“好的想法应该决定 [韦伯] 未来的观测，而不是任何人碰巧拥有的过去的成功。”
哈勃太空望远镜观测到的星系团 Abell 2744，它是哈勃“前沿场”计划的一部分。 在星系团巨大引力场的放大下，来自宇宙早期的一小部分非常遥远的星系在这张图像中显示为昏暗的红色斑点。韦伯将更详细地研究它们，并可能发现来自更深宇宙历史的星系。来源：NASA、ESA 以及 J. Lotz、M. Mountain、A. Koekemoer 和 HFF 团队 (STScI)
照亮宇宙黑暗时代
天文学家已经开始利用哈勃和其他太空望远镜来预览韦伯可能揭示的内容，他们正在观察一些最大的星系团，这是一个名为“前沿场”的项目。 这些星系团非常巨大，以至于它们扭曲了周围的空间，形成巨大的“引力透镜”，放大来自更遥远星系的微弱光线，这些星系诞生于大爆炸后不到十亿年。 人们认为这些星系几乎与任何星系一样古老；在宇宙最初的 5 亿年中，大部分时间都处于宇宙“黑暗时代”，太热太稠密，无法形成恒星。 但是，即使通过星系团大小的引力透镜放大镜，哈勃也只能将这些早期星系视为因宇宙膨胀而变红的暗淡污迹。 韦伯——为研究这些阴暗的时代而专门建造——可以利用引力透镜来揭示这些甚至更古老的星系，其细节和数量足以准确确定这些古代天体是如何产生的，以及最初是如何将光带入宇宙的。
加州大学洛杉矶分校的天文学家托马索·特鲁领导的一个 ERS 计划将做到这一点，将韦伯指向一个名为 Abell 2744 的前沿场星系团，以观察哈勃视野范围之外的东西。 特鲁说：“通过这些观测，我们可以观察从最早的星系到我们所说的恒星形成的顶峰的一切，即大爆炸后数十亿年，当时星系正以疯狂的速度大量产生恒星和重元素。”“我们将准确地了解这一切是如何发生的——它是如何进行的、它的来源是什么以及这些来源是什么样的——大的还是小的，富含重元素还是贫乏。”
特鲁的计划将使用引力透镜来深入观察，而其他计划则将扩大视野，只是简单地用韦伯的红外视野平铺天区。 德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家史蒂夫·芬克斯坦领导的 ERS 观测将使用韦伯对大约八分之一满月大小的天空区域进行成像。 芬克斯坦说，在那个区域的某个地方，韦伯可能会探测到几个到大约 50 个极其古老的星系。 这个数字将有助于揭示早期宇宙中恒星形成的效率，并可以预测韦伯能够看到宇宙时间的确切深度。
哈勃望远镜从其 CANDELS 计划中观测到的“扩展格罗特条带”，这是一片富含星系的天空区域，大约是满月的八分之一大小。 韦伯将对整个区域进行成像，以寻找大爆炸后五亿年或更短时间内形成的宇宙最早的星系。来源：NASA，Anton M. Koekemoer (STScI)
芬克斯坦说：“在某个时候，足够遥远的地方，星系将不复存在。”“甚至可能就在前沿场的极限之外。 这意味着你可能不想花费大量时间去寻找它们，因为它们不存在……。 也许我们用韦伯看不到任何更暗的东西——或者也许我们会看到。”
绘制地图，描绘行星
尽管韦伯最初是作为研究遥远星系的主力军而设计的，但它也将在离家较近的地方取得突破。 一个 ERS 计划将凝视邻近新生恒星系统的中心，观察冰、有机分子和其他行星构成要素在聚结的太阳周围跳舞。 另一个计划将寻找可能从木星冰冷卫星的地下海洋喷出的水蒸气羽流。 但对于许多天文学家来说，韦伯最受期待的工作涉及系外行星——绕其他恒星运行的世界。
当韦伯最初构想时，尚未发现任何系外行星；现在，无数的系外行星充斥着天文学家的目录。 大部分来自美国宇航局的一项任务，即开普勒太空望远镜，它通过观察行星周期性地掠过恒星表面时产生的阴影“凌星”现象，发现了数千个世界。 虽然这些发现为了解银河系中的行星提供了广泛的信息——大小、质量和轨道周期——但它们对气候、天气和宜居性的了解却少得多。 韦伯将无法拍摄外星地球的实际照片来观察这些细节，但其精美的光学器件仍然可以帮助天文学家扫描绕附近恒星运行的少数行星上的类地条件。
在这张日本 Hinode 卫星拍摄的图像中，金星在 2012 年凌日期间呈剪影状地出现在太阳前。 阳光穿过金星高层大气层时，在行星周围呈现出一个细环；韦伯将搜索少数凌星世界，以寻找类似的外星空气特征。来源：JAXA、NASA 和洛克希德·马丁公司
与只是调查单个恒星密集视野以寻找凌星现象的开普勒不同，韦伯可以放大单个凌星世界进行更深入的研究。 天文学家应该能够通过监测穿过某些剪影行星高层大气层的星光，利用它来探测水蒸气、甲烷、二氧化碳和其他气体。 他们还可以记录行星从恒星前面经过，然后从恒星后面经过的过程，使用两次观测之间的差异来粗略测量世界的气温、天气模式和云层。“韦伯将非常适合系外行星，”开普勒项目科学家、NASA 艾姆斯研究中心的天文学家娜塔莉·巴塔利亚说，她领导着时间最密集的 ERS 计划，该计划将使用近 80 小时的韦伯时间来研究凌星世界。“只是这场游戏很难玩，因为我们正在寻找的信号非常微弱。 从另一颗恒星 [凌星] 看，金星挡住了太阳光线的万分之一，而它的大气层拦截了其中的两百分之一。 这很难看到——你需要一面大镜子和精密的仪器才能做到。”
对于他们的观测，巴塔利亚和她的团队有更适度的目标。 他们计划在两个凌星的木星大小的世界 WASP-39 b 和 WASP-43 b 上试驾望远镜的仪器，尽可能多地从星光和行星阴影的偏移模式中收集数据。 他们学到的东西可能有助于规划对更小、可能多岩石且更像地球的世界的观测，这将需要对韦伯有限的时间进行更大的投资。 最终，它可能会为许多行星猎人认为的圣杯指明方向：获得绕另一颗恒星运行的类地行星的实际图像。
巨大的系外行星 HIP 65426 b，如图所示，这是欧洲南方天文台 SPHERE 仪器在智利甚大望远镜上拍摄的发现图像。 这张图像中已移除了行星的母星，其位置用十字标记；圆圈表示海王星绕太阳运行的轨道，比例相同。 韦伯将获得该世界和类似世界的新的、更好的图像，为行星形成理论提供关键数据。来源：ESO
拍摄太阳系外行星的照片是一项艰巨的任务；即使是最大、最亮的行星，在其母星的光芒中也几乎难以察觉地微弱。 韦伯的大镜面和针对红外光的优化使其成为完成这项任务的强大但并非完美的工具，红外光最有利于行星与恒星的对比。 由于缺乏高性能的日冕仪——一种阻挡恒星大部分光线的仪器——韦伯可能很难拍摄到比土星小的行星的照片，即使在最好的情况下也是如此。 然而，它将有助于为功能更强大的未来行星成像天文台铺平道路。
英格兰埃克塞特大学的天文学家萨莎·欣克利说：“如果你就我们理想的天文台向我的社区进行民意调查，它不会是韦伯——它会是其他东西。”他领导着一个 ERS 计划，旨在直接拍摄巨行星的图像。“韦伯没有我们希望的分辨率——我们希望有一个更大的镜面来观察更靠近恒星的较小行星。 但韦伯确实具有令人难以置信的 [红外] 波长覆盖范围和灵敏度。 我们将尝试榨取它所能提供的一切。” 欣克利的团队将把韦伯指向三颗被认为拥有行星的恒星，寻找新的世界并捕获至少一颗已知行星的图像——一颗名为 HIP 65426 b 的年轻“超级木星”，它仍然闪耀着其诞生后残留的热量。 测量行星的亮度和颜色将使欣克利的团队能够更好地估计其成分和年龄——这两个关键数据点对于确定其确切形成方式至关重要，这可以揭示木星是如何形成的。
欣克利说：“我们以前从未以韦伯的灵敏度观察过这些系统，因此我们很可能发现我们在之前对这些恒星进行的地面观测中不敏感的低质量行星。”“但是要做到这一点，我们需要迅速发展我们对这个令人难以置信的天文台的理解，这是人类有史以来建造的最复杂的太空望远镜。”