看到宇宙尽头 望见时间初始

6月23日，NASA宣布“新一代太空望远镜”詹姆斯·韦伯空间望远镜完成了首次整体光路测试。韦伯望远镜预计于2018年发射，这个预算从20多亿美元一路涨到80多亿、耗费了NASA的绝大部分经费、还多次推迟发射时间的“哈勃继任者”，终于走到了发射前的整体测试阶段。

按计划，韦伯望远镜将被安置于距离地球150万公里外的日地第二拉格朗日点上——差不多是地球与月球间距离的4倍。

据悉，韦伯望远镜的“目光”将穿越130亿光年的整个宇宙，去寻找早期恒星的踪迹。NASA还希望它能够承担起寻找外星文明的重任。 ●南方日报驻京记者 王诗堃

1.在150万公里外的太空展开

最近几个月来，人们可以24小时不间断地“围观”詹姆斯·韦伯空间望远镜（以下简称“韦伯望远镜”）：在美国戈达德太空飞行中心的一个实验室内，NASA安装了两个摄像头，在官网直播这个两年后将升空的巨大望远镜。

韦伯望远镜拥有18片巨大的六边形的镜片，整面望远镜的镜片总直径为6.5米。镜片由铍制成，上面镀了一层金，金光闪闪看起来颇为奢华——事实上，它的确是NASA花了血本的项目，预算最初为20多亿美元，但一路涨到超过80亿美元，成为史上最昂贵的望远镜。

虽然体积比不上地基望远镜，但从一位“太空旅客”的角度看，韦伯望远镜仍可称得上巨大无比。它的多层遮阳板的长度达到22米，几乎是哈勃望远镜的两倍，它的总直径为6.5米的反射镜片也比哈勃大得多。这就注定了，这台望远镜无法完整地塞入运载火箭的载荷舱。

韦伯望远镜的反射镜片采用18片六边形镜片拼接而成。为了能够将望远镜装进阿丽亚娜5号重型运载火箭的载荷舱，韦伯望远镜的遮阳板和6.5米直径的大反射镜都需要被精心折叠。

这些被折叠的遮阳板和镜片会在距离地球150万公里外的第二拉格朗日点展开。第二拉格朗日点位于日地连线上、地球外侧，由于受太阳、地球两大天体引力作用，卫星在这里消耗很少的燃料即可长期驻留。在这里，韦伯望远镜并不寂寞：欧空局发射的口径3.5米的赫歇尔太空望远镜也位于第二拉格朗日点轨道上，它是到目前为止最大的太空红外望远镜。

韦伯望远镜就位后，将运用主动光学技术形成最后所需形状的主镜。镜面拼接和主动光学技术并不是新技术，国家天文台研究员平劲松介绍，如今地面上大部分新建的望远镜都已应用主动光学技术，镜面拼接技术则是为了突破制造大面积镜面的技术极限。据了解，正在地表建造和研制中的巨型麦哲伦望远镜（口径25米）和欧洲极大望远镜（口径39米）也是采用了多镜面主动光学技术。

平劲松介绍，望远镜发射升空前会进行充分的遮阳板展开实验。而且韦伯望远镜的遮阳板一共有5层，发射时共折叠12次，全部展开能有效保障观测效果，但在出现故障的情况下，只要一半面积，望远镜就能工作。据了解，韦伯望远镜之所以留有如此大的容错余量，一个重要的原因就是它工作的地点离地球太远。

韦伯望远镜的前辈，位于近地轨道的哈勃望远镜可以由宇航员维修。1993年，由于哈勃太空望远镜的反射镜出了故障，导致出现光学成像问题，NASA安排宇航员对它进行修复。迄今为止，哈勃共经历过5次维护，几乎将这台望远镜能换的部件全部更换了一次。

但由于第二拉格朗日点是人类宇航员至今未曾到达的“深空”。韦伯望远镜首席系统工程师乔纳森·阿伦伯格（Jonathan Arenberg）说：“工程师们必须避免它出现类似哈勃太空望远镜的错误，因为我们将没有机会使它康复。”

2.接近绝对零度的“冰冻望远镜”

与哈勃望远镜主要观测可见光波段不同，韦伯望远镜主要观测红外线的长波波段。宇宙在不断膨胀，星体距离地球越远，其光线退去的速度越快。由于多普勒频移现象引起光的波长延伸，最古老的、极其遥远的星光到达地球时，已经移动到了光谱的红端。因此红外波段正是韦伯望远镜大显身手的领域。

作为红外望远镜，由于对热红外的高敏感度，为避免望远镜工作产生的热量干扰天文学信号，韦伯望远镜需要在-233℃（40K）运行，比绝对零度（约为-273.15℃）仅高出40℃。

即使在第二拉格朗日点，-233℃也是个并不容易达到的温度。这需要全新的仪器设计方案。

在戈达德太空飞行中心，科学家将韦伯望远镜的4个核心部件放入“真空小屋”。在“真空小屋”里，气压被抽至标准大气压的百亿分之一，以模拟太空环境。同时，科学家利用液氦工质，将温度降低到望远镜的工作温度-233℃。

在这个温度下，物质的性质、形状都会发生改变。科学家要选用合适的镜面材料：它需要经得住严酷的考验，在极低的工作温度下保持工作形态，误差要控制在纳米级层面。为了实现这一目标，镜面制作人要把复杂的计算机模型和研磨、冷却、测量、加热、再研磨、再冷却的繁复过程相结合。

为了隔绝来自太阳的红外线辐射干扰，韦伯望远镜附带了22米长的多层遮阳板。遮阳板采用了镀铝高分子聚合物薄膜材料。乔纳森·阿伦伯格把这些遮阳板称为“科技含量非常高的薯片包装袋”。他介绍称，遮阳板的SPF（防晒系数）值达到120万。用我们日常用的防晒霜，其SPF值一般最高不超过30。

3.观测第一代恒星的演化

专家预测，宇宙间第一代恒星的成分是氢和氦，具有超强的亮度，但是其真实面目至今尚未被人类直接观测到，这也是人类对宇宙演化过程的认识空白。

改变这种状况的任务就落到了韦伯望远镜的身上。阿伦伯格说：“我们希望利用它能够探测最早的恒星和它的星系。”韦伯望远镜的目光将穿越130亿光年的整个宇宙，去寻找早期恒星的踪迹，这些恒星诞生于宇宙大爆炸之后的数百万年间。

在红外波段，韦伯望远镜可以透过浓密的气体和尘埃，得到分辨率更高的早期恒星照片。恒星在形成的时候，被包裹在星云中，这是可见光无法穿透的。

而环绕在新生恒星周围的气体盘同样可以是它观测的对象，这些气体盘是行星的雏形，可以帮助天文学家研究行星形成。另外，星际气体中的有机分子也会发出红外辐射，因此，韦伯望远镜的观测有助于科学家们探寻生命真正的起源。

为了吸引更多的注意力，得到更充裕的资金和科研环境，NASA也在不断对美国国会和公众宣传韦伯望远镜的“多面手”可能，其中最吸引眼球的恐怕是寻找“第二地球”。

不过，从设计上看，韦伯望远镜更适合观测遥远的第一代恒星，探索宇宙的本初，而非为人类寻找“第二家园”。科学家认为，检测类地行星的任务超出了韦伯望远镜的能力范围。NASA的系外行星探测计划分析组组长、俄亥俄州立大学天文学教授斯考特·高迪（B.Scott Gaudi）说，“韦伯并非不能检测潜在宜居行星，只是这要占据现实中可供使用的更多时间。”

斯考特·高迪表示，“韦伯望远镜（用来探索类地行星）有点大材小用了，应该用较小的装备来完成这个任务。”

尽管距离发射还有一段时间，但针对韦伯望远镜观测时间的争夺已经开始。韦伯望远镜项目科学家乔纳森·加德纳（Jonathan Gardner）表示，“任何国家和大学的任何天文学家都可以递交申请使用这台望远镜。”

另一方面，NASA近日宣布，将哈勃望远镜的寿命再延长5年，到达2021年。这意味着2018年后，哈勃将和韦伯望远镜一道，在可见光、部分紫外光和红外光波段共同观测宇宙。

策划：江华 统筹：张志超

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FAST、哈勃、韦伯有何不同？

7月3日，位于贵州平塘山区的500米口径球面射电望远镜（FAST）完成最后一块反射面单元安装，至此，4450块反射面单元全部安装完毕。根据建设规划，FAST将在2016年9月全部建成并初步投入使用，届时，它成为世界上现役的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜。

过去一年里，人类对于太空的探索达到了新的高度，菲莱探测器着陆彗星、引力波成功被探测……而FAST的落成，将进一步提高人类探索太空的能力，国家天文台副台长郑晓年表示，建成后的“天眼”将有能力巡视宇宙中的中性氢、探测星际分子、观测脉冲星，以及搜寻星际通讯信号。

目前人类已经拥有部署于太空的哈勃、开普勒望远镜，韦伯望远镜也即将升空，为何各国还要在地表建设巨型望远镜？FAST和它的“同行”们有哪些不同？

为何射电望远镜多建于地表？

射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。因此，不同于哈勃望远镜用于观测可见光和紫外线，韦伯望远镜用于观测红外线，FAST作为射电望远镜，主要用于接收无线电波。

一方面，大气对于可见光、红外线、紫外线的影响较大，无线电波相对而言，受到的影响要小得多。

另一方面，由于射电波段观测的波长要远大于光学波段的波长（光学波段波长一般单位用纳米，射电波段波长经常用米），所以射电望远镜需要更大尺寸的口径，甚至组成阵列。韦伯望远镜直径6.5米，预算近90亿美元，如果把FAST发射到外太空，且不论根本没有火箭能够运载，即使分批运输上天组装，无论从技术上还是经济上，都是不现实的。

因此，除极少数小型射电望远镜部署于近地轨道外，包括FAST在内的世界上绝大多数射电望远镜，都是建在地表。

另外，为了尽可能减少无线电信号干扰，一般射电望远镜都选址于人迹罕至处，这也是FAST坐落于贵州平塘山区的原因之一。

在不同波段观测宇宙

除了光学望远镜、射电望远镜，根据观测波长的不同，人类还拥有X射线望远镜、γ射线望远镜等功能各异的器材。甚至，在引力波发现后，我们将来制造的引力波探测装置似乎也可被称为“引力波望远镜”。

17世纪，伽利略用在今天看来近乎玩具的望远镜，发现了木星的卫星和土星的光环，也揭开了天文学的序幕。到今天，人类早已了解到，宇宙深处的天体在各个波段的“长相”都不一样。要对宇宙有更深刻的认知，人类就要依赖观测波段不尽相同的望远镜。

现代的可见光波段望远镜，其基本原则是，口径越大，主镜面积越大，集光能力就越强，分辨率就越高，就能看到更深、更暗的天体。迄今为止，在地球近地轨道上，26岁“高龄”的哈勃望远镜仍然是人类最好的望远镜之一。而在地球表面，计划建造的欧洲极大望远镜口径达39米，巨型麦哲伦望远镜口径达25米，建成后，它们也将和FAST一样，成为“巡天利器”。

比可见光波段更长的是红外线，红外线波长在0.78μm—1mm之间，任何温度高于绝对零度的物体都在不停地辐射红外线。因此，红外线望远镜能穿透浓密的星际气体和尘埃，获得更多光学望远镜得不到的信息。即将于2018年上天的詹姆斯·韦伯望远镜即为红外线望远镜。

短于可见光的紫外线、X射线和γ射线等记录了黑洞活动、星系碰撞、超新星爆炸等剧烈的天体活动。但由于其很难穿越大气层，故这些高能望远镜都部署在太空。2008年，美国宇航局的费米γ射线空间望远镜发射升空，它观测了不同年龄的脉冲星、γ射线暴以及几十亿光年远的星系中巨大黑洞的爆发，为我们展现了宇宙最剧烈的一面。

包括FAST在内，射电望远镜是近年来人类天文学和物理学发现的主力军。在FAST之前，世界最大的射电望远镜要数位于波多黎各岛上的阿雷西博望远镜，这个望远镜固定在天然火山口上，口径达350米。

射电望远镜可“组合作战”

值得注意的是，射电望远镜并不都是单独作战。天文学家也可以将相隔一定距离的多台射电望远镜观测同一方位，甚至可以用多台较小的望远镜得到超过大型望远镜的精度。

天文学家称这种模式为甚长基线干涉测量（Very—long—baseline interferometry，简称VLBI）。美国因其疆域广阔，已建立有遍布美国本土、美属维尔京群岛、夏威夷的VLBI网络，中国和欧洲也有类似项目。另外各国天文学家也在谋求全球合作，未来天文学家希望将遍布全球的射电望远镜综合起来，得到地球级的射电望远镜。