《三体》浩渺的宇宙边界，人类或将借助詹姆斯·韦伯望远镜抵达

近期，历时七年制作的《三体》电视剧终于开播，将春节前的科幻氛围拉满。在《三体》小说里，作者刘慈欣用丰富的想象力和扎实的学科知识构筑了庞大的时空体系，让读过该故事的人都不免要感慨：宇宙太大了！人类在浩渺的宇宙中甚至称不上沧海一粟。

而《三体》小说的风靡，正是人类对宇宙起源、生命起源的强烈探索欲望的体现。近些年，借由先进的天文仪器，人类的触角正不断伸向遥远的宇宙边界（如果有边界的话）。

大约十年前，世界上最著名的望远镜之一——哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）利用400个公转周期，800次曝光，拍摄了一张名为Hubble Ultra Deep Field（中译：哈勃超级深空视场）的图片，将最深处的宇宙景象传回了地球，让全世界为之震惊。这张图片被数百篇科学论文引用，对研究宇宙起源有很大帮助。

作为哈勃空间望远镜的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST，James Webb Space Telescope）于2021年底发射升空，在经过数月的调试后，也开始为人类带来源源不断的关于宇宙真相的惊喜。

图：詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的“创生之柱”

詹姆斯·韦伯太空望远镜是一个由来已久的计划，最初构想于20世纪80年代，曾计划于2007年左右推出，耗资10亿美元。但它的复杂性导致了大规模延迟，耗费了大量资金，以至于后来甚至被称为“吞噬天文学的望远镜”。

经过科学家和工程师们几十年的努力，耗资 100 亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜终于在2021年12月25日顺利发射升空，它是美国、加拿大和欧洲的NASAled合作项目，是有史以来最强大的太空望远镜，可以观察到比哈勃太空望远镜所能看到的物体暗100倍的物体。同时，它还专门设计用于探测红外辐射，使其能够穿透尘埃，回看到宇宙第一批恒星和星系形成的时期。

进入太空后，詹姆斯·韦伯太空望远镜环绕太阳运行，其稳定点距离地球150万公里。它的巨大镀金主镜有长颈鹿那么高，由网球场大小的遮阳板保护，不受阳光的照射，在红外光中可以看到前所未有的宇宙景象。

当然，即使在顺利发射后也有焦虑的时刻。詹姆斯·韦伯太空望远镜到达月球轨道外的目标位置需要一个月的时间，需要数百个活动部件来部署其各种组件，包括保持红外敏感仪器冷却所需的巨大的遮阳板。

不过目前来看，拖延、预算超支和大部分紧张局势都已得到克服。詹姆斯·韦伯太空望远镜正在努力工作，其活动由巴尔的摩太空望远镜科学研究所（STScI）精心策划。每周都会有一个团队根据詹姆斯·韦伯太空望远镜科学研究第一年（2022年7月-2023年6月）数百个获批项目的长期计划，来安排望远镜即将进行的观测任务。

如果按照计划运行，这台望远镜每天可以收集超过50千兆字节的数据，相比之下，哈勃望远镜只有一两千兆字节。这些数据包含图像和光谱特征（基本上是分解成元素的光），通过STScI运行的算法提供。这一被称为“管道”的算法会将望远镜的原始图像和数字转化为有用的信息。其中一些数据会立即在公共服务器上发布，热心的科学家甚至是詹姆斯·韦伯太空望远镜Photo Bot等推特机器人都会在那里获取。其他数据会通过拥有专有窗口的程序传递给科学家，让他们在向公众发布数据之前花时间分析自己的数据。

詹姆斯·韦伯太空望远镜自2022年7月开始全面运行后，来自整个宇宙的令人难以置信的景象就不断地大量涌现，包括黎明时遥远星系的图像、令人惊叹的星云景观和充满尘埃的恒星诞生地等。丹麦哥本哈根大学的天文学家加布里埃尔·布拉默认为：“正如我们所期待的，韦伯望远镜的表现非常强大。”

当然，詹姆斯·韦伯太空望远镜获得天文发现速度不仅取决于其内在能力，在这背后，天文学家们已经为它将要进行的观测做了多年准备，同时也开发出能够快速将其所获得数据转化为有用信息的算法。目前，詹姆斯·韦伯太空望远镜带来的大部分数据都是开放获取的，这也使得天文界几乎能以最快的速度对其进行梳理。

这台望远镜最早的任务之一是用低温冷却的中红外仪器（MIRI）观察WASP-39b行星。中红外仪器是望远镜上最能深入观察光谱红外部分的工具，通过它可以很容易地探测到行星大气的许多特征。中红外仪器的光谱仪使科学家能够从WASP-39b的大气层中分离出光线。然而，该团队没有用人工方式对检测到的数据进行分析，而是使用了一种名为“尤里卡”的算法通道，因为他们的目标是大气光谱信息而不是原始数据。

一般情况下，分析这样的系外行星的信息通常需要几个月时间，但在这项观测开始几个小时内，二氧化碳的信号就跳了出来。此后，有关这颗行星的许多其他细节信息都被陆续公布，包括对其组成和存在的斑片状云的详细分析。

图：詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的“史蒂芬五重星系”

2022年7月，麻省理工学院罗汉·奈杜领导的团队在研究詹姆斯·韦伯太空望远镜的早期图像时发现了GLASS-z13，这是一个遥远的星系，它的光可以追溯到大爆炸后的3亿年，比之前已知的任何星系都要早。这一发现引起了全球的轰动，因为它表明了星系的形成可能比之前预期的更早，可能是几个亿年前，这也意味着我们宇宙的演变比之前想象的更快。

如今，海量的数据正在通过这台望远镜不断产生。美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜跨学科科学家、华盛顿大学天文学研究协会科学副主席海蒂·哈梅尔指出，一旦进入运行模式，它就不会停下来。每小时我们都在观察一个星系、一颗系外行星或恒星的形成。

天文学家们预计，这些数据将改变人类社会对遥远宇宙、系外行星、行星形成、星系结构等的理解。他们希望借助这架望远镜，拼凑出宇宙大爆炸后第一批星系的形成方式，但这并不是它的唯一目标。这架望远镜可用于天文学的各个领域，它能以前所未有的精度观察其他太阳系中的行星，让人类弄清楚它们的大气构成。它还将见证新世界的诞生，拍摄壮丽的星云图像，探测星系结构等等。

如果说，科幻小说《三体》让我们借助想象力抵达了浩渺宇宙的边界，那么，在不久的未来，詹姆斯·韦伯太空望远镜将带领人类穿过重重星际迷雾，看到宇宙最初的模样。

当我们站在詹姆斯·韦伯望远镜面前就会发现，这架直径6.5米的精密仪器，拥有18片一尘不染的镀金主镜片、5张薄如蝉翼的聚酰亚胺隔热罩，未来，它将在低至-223摄氏度的工作温度下进行为期20年的宇宙瞭望。毫无疑问，它是21世纪最值得期待的科技成果之一，将带给人类社会丰富的科技财富。

近期，《麻省理工科技评论》公布了2023年“全球十大突破性技术”，詹姆斯·韦伯太空望远镜也位列其中。《麻省理工科技评论》团队认为，作为精密工程的奇迹，詹姆斯·韦伯太空望远镜可以彻底改变我们对早期宇宙的看法，在未来20年里，它将每天带我们收获新的发现。

《麻省理工科技评论》自创办以来，始终关注对人类社会发展有着重大价值的前沿科技，如今“全球十大突破性技术”榜单也已伴随我们走过22载光阴，超200项的突破性技术正如一部前沿科技发展史，记录了时间长河中那些闪闪发光的技术灵感和科技突破。

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参考资料：

1、《How the James Webb Space Telescope broke the universe》，《麻省理工科技评论》2023年1-2月刊。