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韦伯太空望远镜将改写宇宙历史(The Webb Space Telescope Will Rewrite Cosmic History. If It Works.)

冬寂 2022-07-13 16:26:40 【我的世界】 3014人已围观

原文链接 : https://www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203#0

要想回望宇宙的雏形,见证第一批星星的闪烁,你必须先磨出一面和房子一样大的镜子。它的表面必须非常光滑,如果这面镜子是一个大陆的规模,它将没有比脚踝更高的山丘或山谷。只有如此巨大和光滑的镜子才能收集和聚焦来自天空中最远的星系的微弱光线--这些光线很久以前就离开了源头,因此显示出星系在远古时期的样子,那时宇宙还很年轻。我们将看到的最微弱、最远的星系仍在诞生过程中,当时神秘的力量在黑暗中密谋,第一茬星星开始闪耀。

但是要阅读宇宙历史的早期篇章--了解那些最早的、可能是巨大的恒星的性质,了解那些引力引导它们诞生的无形物质,了解磁力和湍流的作用,以及巨大的黑洞是如何成长并进入星系中心的--一面特殊的镜子是远远不够的。

没有人看到星系形成的时代的原因是,古老的星光在通过膨胀的空间结构向我们旅行了这么多亿年之后,已经变得捉襟见肘。天空中最远的恒星喷出的紫外线和可见光在来到这里的旅途中被拉伸成大约20倍长的波长,成为红外辐射。但是红外光是我们所说的那种原子抖动的光,也就是我们身体和大气以及我们脚下的地面所辐射出来的热量。唉,这些局部的热源淹没了原始恒星的可怜的火焰。为了感知这些星星,带有完美大镜子的望远镜必须非常冷。它必须被发射到太空中。

问题是,一个房子大小的镜子太大,无法装入任何火箭整流罩。因此,镜子必须能够折叠起来。镜子只有在分段的情况下才能折叠--如果它不是一个单一的、不间断的表面,而是一个由镜子分段组成的蜂窝状阵列。但是,为了共同创造出清晰的图像,这些镜段在空间自主展开后,必须处于几乎完美的排列状态。为了实现良好的对焦,需要非常精确的马达--马达可以以病毒的一半宽度的增量来推动每个镜段,直到它们全部到位。


   


在诺思罗普-格鲁曼公司位于加州的工厂里,组装好的望远镜折叠后高高耸立。

看到微弱的红外源的能力并不仅仅是让你进入宇宙的形成阶段--大约是大爆炸后5000万到5亿年的时期--它还将揭示宇宙的其他可以说同样重要的方面,从围绕其他恒星运行的地球大小的行星的特性到备受争议的空间膨胀速度。但是,为了使望远镜发挥作用,除了在射入天空后自主展开和聚焦的无缺陷镜子之外,还需要一个元素。

即使在外太空,地球、月球和太阳仍然使望远镜受热过度,使其无法感知宇宙中最遥远的结构的微弱闪烁。除非,也就是说,望远镜前往一个离地球比月球远四倍的特殊地点,称为拉格朗日点2。在那里,月球、地球和太阳都在同一个方向,让望远镜通过竖起一个网球场大小的遮阳板,一次把这三个天体都挡住。通过这种方式的遮挡,望远镜终于可以进入深深的寒意,并最终探测到宇宙黎明的微弱热量。

遮阳板既是红外望远镜的唯一希望,也是其致命的弱点。

为了在不拖累火箭的情况下达到足够大的比例,遮阳板必须由薄薄的织物组成。(整个观测站,包括它的镜子、照相机和其他仪器,它的发射器和电源,必须只有大型地面望远镜典型质量的2%左右)。建造一个巨大而轻巧的红外感应航天器并不容易,但不可避免地使用织物使其成为一个固有的风险事件。工程师们说,织物是 "非确定性的",它的运动不可能完全控制或预测。如果遮阳板在展开时被卡住,整个望远镜将变成太空垃圾。

目前,该望远镜--令人难以置信的是,它已经建成--被折叠起来,准备放在阿丽亚娜5号火箭上。该火箭计划于12月22日从法属圭亚那的库鲁升空,在其有效载荷--詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)首次被设想和勾勒出来的30多年后。该望远镜比计划晚了14年,超出预算20倍。"我们已经尽可能地努力工作,抓住我们所有的错误,进行测试和排练,"约翰-马瑟说,他是诺贝尔奖获得者,25年来一直担任美国宇航局领导的项目的首席科学家。他说,现在,"我们将把我们价值十亿美元的望远镜放在一堆爆炸性材料的上面",把事情交给命运。

   

The James Webb Space Telescope is like nothing ever launched into space. It could explore the universe’s very first stars, uncover evidence of extraterrestrial life — or literally hit a snag and become worthless.    

视频: 詹姆斯-韦伯太空望远镜与以往发射到太空的任何东西都不同。它可以探索宇宙中最早的恒星,发现地外生命的证据--或者真的遇到障碍,变得一文不值。

JWST在过去三十年中的发展故事与我们在理解宇宙方面取得的巨大进步相呼应,这主要是因为韦伯的前辈。通过哈勃太空望远镜,我们了解到恒星、星系和超大质量黑洞在宇宙历史中存在的时间远远早于人们的预期,而且它们后来发生了巨大的变化。我们已经了解到,暗物质和暗能量塑造了宇宙。通过开普勒望远镜和其他望远镜,我们看到各种形式的行星像圣诞树上的小饰品一样装饰着星系,仅在我们的银河系就有数十亿潜在的可居住世界。这些发现提出了詹姆斯-韦伯太空望远镜可以解决的问题。天文学家们也希望,就像其他望远镜一样,它的观测结果将提出新的问题。"每次我们建造新设备时,"马瑟说,"我们都会得到一个惊喜。" 

这次发射将开始天文学家娜塔莉-巴塔拉所说的 "六个月的针尖对麦芒",因为这个复杂得惊人的望远镜将试图通过数百个步骤来展开和聚焦自己。该天文台将花一个月时间漂浮100万英里到拉格朗日点2。在途中,它将变成一朵天体的睡莲,将其巨大的镀金镜段花朵置于一片更大的银叶之上。

"这将是我们自己的'敢为天下先'的时刻,"哈佛大学的天体物理学家格兰特-特伦布莱说,他是望远镜时间分配委员会的成员。"它将会做出惊人的事情。我们将在《纽约时报》上谈论这如何在时间的边缘见证恒星的诞生,这是最早的星系之一,这是其他地球的故事。" 

"请工作,"特伦布莱补充说,他的眼睛向上飘着。

   

从平稳到颠簸     

美国宇航局上一次发射如此重要的天文台--哈勃太空望远镜,是在1990年,那是一场灾难。"绝对是灾难性的,"资深天文学家桑德拉-法布尔告诉我。法布尔是在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心安营扎寨的团队中的一员,负责诊断这种紊乱。从哈勃照片中的一颗星看起来像一个环,她和一位同事推断,主镜--将光线反弹到副镜,然后反射到相机镜头上的大凹面--没有被磨成合适的凹面以聚焦光线;它的边缘有半个波长太厚。如果在发射前对主镜和副镜进行了测试,这种畸变就会被注意到,但在急于让这个长期拖延且预算过高的望远镜升空的过程中,这种测试从未发生。

一些美国航空航天局的领导人呼吁放弃这个已经是一个有争议的项目的望远镜。相反,马里兰州的参议员芭芭拉-米库尔斯基获得了用于救援任务的资金。修复它是可能的,因为作为一个对彩虹的颜色而不是对红外光敏感的光学望远镜,哈勃可以从低地球轨道上获得清晰的视野,只有340英里高,而不是要到一百万英里以外。1993年,航天飞机与哈勃对接,宇航员们安装了一种隐形眼镜。这台望远镜后来彻底改变了天文学和宇宙学。

A blurry image of a spiral galaxy.    

   

Images of the galaxy M100 taken by the Hubble Space Telescope before and after astronauts installed a corrective lens on the telescope’s primary mirror in December 1993.            

NASA

一个螺旋星系的模糊图像。

1993年12月,宇航员在哈勃太空望远镜的主镜上安装了一个矫正镜片,在此之前和之后,哈勃太空望远镜拍摄的M100星系的图像。

也许在20世纪的大部分时间里,关于宇宙最重要的问题是它是否有一个开始,或者它是否一直是这样的。对于英国宇宙学家弗雷德-霍伊尔和其他相信后者 "稳态 "理论的人来说,"令人信服的逻辑是简单的,"麦迪逊威斯康星大学的天文学家和荣誉教授杰伊-加拉格尔说。"在某一点上,有些东西发生了变化,宇宙创造了物质,为什么一定要这样呢?" 稳态支持者霍伊尔将他的对手对 "大爆炸"(他称之为 "大爆炸")的信念归结为《创世纪》的影响。

然后,1964年新泽西州贝尔实验室的一个无线电天线出现了嘶嘶声。嘶嘶声是由来自天空各处的微波产生的,与大爆炸理论的预测完全一致。(这些光是在热的、密集的宇宙冷却的早期相变中释放出来的)。宇宙微波背景的发现,就像它被称为的那样,并没有立即结束争论--像霍伊尔这样的稳定状态的人不相信它的解释,并坚持他们的理论几十年之久。但是对于其他人来说,当他们看到大爆炸的余辉时,CMB创造了一个难题。来自天空各处的微波的近乎完美的均匀性表明,新生的宇宙是惊人的光滑--物质的泥浆。法布尔说:"难题是我们今天看到的是一个非常结实的宇宙,"他在60年代末是研究星系的研究生。"因此,理解星系的第一个挑战是理解宇宙是如何从光滑变成块状的。"

宇宙学家们知道原子一定是因为重力而逐渐聚集在一起,最终分裂成恒星和星系等结构。但从纸面上看,结构的增长似乎是异常缓慢的。不仅物质最初是平滑分布的,因此没有被引力拉向任何特定的方向,而且空间的膨胀和光本身产生的压力都会使物质分离,抵消其微弱的引力。

       

Samuel Velasco/Quanta Magazine

进入暗物质。在20世纪70年代,华盛顿卡内基研究所的维拉-鲁宾(Vera Rubin)观察到,星系外围的旋转速度比预期的要快得多,就像被一些额外的、看不见的引力源鞭打着一样。这一证据表明,在星系内部和周围有大量的缺失物质,被称为暗物质,与弗里茨-兹威基在1930年代的观察相吻合,即星系之间的相互吸引似乎超过了仅根据其发光物质应该有的程度。同样在70年代,普林斯顿大学的Jim Peebles和Jerry Ostriker计算出,仅由恒星、气体和尘埃组成的旋转星系盘应该变得不稳定,并膨胀成球体;他们认为,不可见的物质一定在创造一个更强大的引力井,可见的星系盘在其中旋转。1979年,法布尔和加拉格尔写了一篇有影响力的论文,汇编了暗物质的所有证据,他们认为暗物质约占宇宙中物质的90%。(目前的估计是大约85%)。

这些研究人员意识到,暗物质具有巨大的引力,不受光的压力影响,可能在早期宇宙中相对迅速地聚集起来。皮布尔斯因其对宇宙学的贡献而获得了2019年诺贝尔物理学奖的一半,他开发了一个定性的图片,其中暗物质粒子会粘在一起形成团块(被称为光环),然后结合成越来越大的团块。英国天体物理学家西蒙-怀特在20世纪80年代的原始计算机模拟中展示了这种 "分层集群 "过程。尽管当时可见物质的模拟过于复杂,但研究人员推测,聚集在一起的暗物质会把发光的物质带入其中。在暗物质光环中,原子会碰撞在一起,加热,向中心沉降,最终在引力作用下坍缩成恒星和盘状星系。

尽管大多数宇宙学家对这一景象深信不疑,但一个大问题是物质密度的变化最初是如何发生的,从而启动了引力聚变过程。"怀特现在已经退休,住在德国,他通过Zoom告诉我:"人们对宇宙结构形成的合理初始条件没有明确的概念。"你可以运行这些模拟,但你不知道你应该在开始时放入什么。" 

1979年,宇宙学家艾伦-古斯在他的笔记本上写下了 "神奇的实现"。他曾计算过,如果空间在大爆炸开始时突然像气球的表面一样炸开,这将解释它如何变得如此巨大、光滑和平整。宇宙通胀,正如古斯所称的原始增长的喷发,很快就作为大爆炸的补充而流行起来。宇宙学家们很快注意到,在通货膨胀期间,空间结构中的量子波动会随着空间的膨胀而被冻结,在整个宇宙中产生微妙的密度变化。由通货膨胀产生的所谓密集点可能成为未来结构的种子。


A notebook page with a box around the words “SPECTACULAR  REALIZATION” written in all caps at the top.     

一页笔记本,上面有一个方框,上面用大写字母写着 "壮观的实现"。

1979年,艾伦-古斯意识到,大爆炸开始时的指数膨胀爆发可以解释宇宙的几个令人困惑的特性。 

阿兰-古斯博士借给阿德勒天文馆的收藏品

这些微小的密度变化确实在20世纪90年代初在CMB中被测量到了--这一壮举为韦伯望远镜的顶级科学家约翰-马瑟赢得了诺贝尔奖。但是,甚至在它们被测量之前,像法布尔这样的人就已经把这些密集的斑点纳入到情节中。1984年,她和三位合著者在《自然》杂志上发表了一篇论文,将一切都串联起来。"她说:"这是对通货膨胀如何产生波动以及这些波动后来如何产生星系的第一个从头到尾的描述。

但这个故事从头到尾都是猜测。而且,即使它大致是真实的,关键日期和细节也是未知的。

哈勃望远镜最具有影响力的发现之一,也是建造其继任者韦伯望远镜的主要动力,发生在1995年,即其校正镜安装后的两年。鲍勃-威廉姆斯,当时是巴尔的摩太空望远镜科学研究所的所长,也是哈勃的操作中心,在一些博士后的建议下,他决定将他所有的100个小时的 "所长自由支配时间"(他可以用这些时间将哈勃指向任何他想指向的地方)用于将它指向任何地方--一个比拇指指甲大小的月亮还要窄的黑暗、无特征的小块天空。这个想法是为了寻找任何令人难以置信的微弱的、遥远的物体,这些物体可能隐藏在灵敏度较低的望远镜所不能达到的地方。

同事们认为这是一种浪费。已故的约翰-巴考尔试图说服威廉姆斯放弃这个想法。Bahcall和他的妻子Neta Bahcall是著名的天体物理学家,他们的典型想法是,像恒星和星系这样的结构在宇宙历史中出现得比较晚。如果是这样,那么试图解决微弱的、遥远的、很久以前的物体是行不通的,因为没有任何物体会存在。Bahcalls夫妇和其他许多理论家都认为威廉姆斯的照片会拍得很暗。

但是在100小时的曝光过程中,一个宝箱的盖子打开了。小小的矩形空间闪烁着数以千计的各种形状、大小和色调的星系。天文学家们都惊呆了。

Thousands of galaxies of different shapes, sizes and colors dot a black rectangle.               

数以千计的不同形状、大小和颜色的星系点缀着一个黑色的矩形。

1995年12月,经过10天的拍摄,哈勃深场的照片显示,在一片约为月球十二分之一宽的天空中,有大约3000个星系。

罗伯特-威廉姆斯和哈勃深场团队(STSCI)和美国航空航天局/欧空局

在哈勃深场照片中,距离较远的星系看起来更红,因为它们的光线通过膨胀的空间到达这里的时间更长,因此被拉长,或 "红移 "到更长的波长。通过这种颜色编码,深场图像提供了一个宇宙的三维视图和星系演变的时间表。星系出现在各个年龄段和发展阶段--证明宇宙随着时间的推移发生了根本性的变化。"稳态理论从窗口消失了,再也听不到了,"法布尔说。"那是一个伟大的智力突破,你可以用望远镜拍一张照片,你可以回顾过去,你可以看到当时的宇宙是一个不同的野兽。" 

这张照片显示,宇宙中明亮物体的形成速度远远超过大多数专家的预期。这支持了这样一种理论,即它们的形成并不是仅仅依靠其引力的强度,而是被合并的暗物质光环所承载。

早期的星系看起来很奇怪--又小又乱,就像丑小鸭,要花几十亿年才能长成天鹅。"今天拥有美丽的[螺旋和椭圆星系]的美丽宇宙确实是一种晚期发展,"法布尔说,"这在照片中也是可见的。" 一些小鸭子星系正在碰撞和合并,支持宇宙结构增长的分层聚类理论。而且,很久以前的星系中的星团出奇地明亮,表明这些恒星的质量和亮度远远超过了现代的太阳型恒星。

天文学家观察到,大多数星系在 "红移2 "附近达到了发光的高峰,形成恒星的速度也最快--在这个距离上,光线到达这里时已经被拉伸到其发射波长的两倍,相当于大爆炸后约20亿年。在那之后,由于现在认为与生长在星系中心的神秘超大质量黑洞有关的原因,许多星系变暗了。

不过,在深场照片中可以看到的星系演化时间表中最引人注目的一点是,没有看到任何开头。在哈勃的玻璃眼睛所能看到的地方,就有星系的存在。在宇航员后来安装在望远镜上的升级相机拍摄的更深场照片中,已经初步发现了远至红移10的光斑,这相当于大爆炸后约5亿年。现在人们认为很可能在那之前数亿年就开始形成结构。

但是处于形成过程中的星系,它们的物质第一次以某种方式碎裂成恒星,对于哈勃来说既太远又太微弱,而且红移过大。来自这些星系的光线已经从电磁波谱的可见部分直接延伸到了红外线。为了看到它们,我们需要一个更大的、可感应红外线的望远镜。

"哈勃通过哈勃深场成功做到的是,发现有星系的红移比我们想象的要高得多,"Neta Bahcall告诉我。"詹姆斯-韦伯的一个问题是它是什么时候开始的,以及它是如何这么早开始的。"

巨大的行星    

1995年10月,在哈勃盯着什么都不看并瞥见时间的历史的两个月前,瑞士天文学家米歇尔-马约尔在意大利佛罗伦萨的一次会议上宣布了另一个重大发现:他和他的研究生迪迪埃-克洛兹发现了一颗围绕另一颗恒星运行的行星。

在马约尔演讲的礼堂后面,当时来自加利福尼亚的研究生Natalie Batalha没有意识到她刚刚听到的东西的重要性。Batalha最近说:"这些事情的发生很有趣,因为回想起来,这是一个关键时刻。"她的虚拟背景中,有三颗行星围绕着一颗恒星运行。"这是系外行星探索新时代的黎明,但也是我生命中的一个转变时刻,而我还不知道。"

   

Didier Queloz and Michel Mayor sit in front of a ’90s-era computer; Mayor is holding an issue of the journal Nature.

    

Didier Queloz和Michel Mayor坐在一台90年代的电脑前;Mayor手持一期《自然》杂志。

1995年,Didier Queloz(左)和Michel Mayor在《自然》杂志发表宣布发现系外行星51 Pegasi b的论文后不久。

迪迪埃-克洛兹提供

在当时,系外行星的搜索是一个科学的落后领域,而马约尔和奎洛兹的方法似乎是一个漫长的过程。他们使用光谱仪,将星光分割成不同的颜色成分,监测了100多颗类似太阳的恒星,希望能探测到多普勒频移,即当一个物体接近或退去时,看起来更蓝或更红。这可能表明该恒星正在摇晃,因为它受到了一个轨道行星的引力的干扰。这项技术似乎很牵强,因为一颗行星必须重得离谱,并且接近其宿主恒星,才能使恒星摇晃得足以用现有最好的光谱仪看到。然而,当Mayor和Queloz观察51 Pegasi,一颗50光年外的类似太阳的恒星时,晃动是巨大的:在排除其他可能性后,他们确定一颗木星大小的行星每4.2天绕着这颗恒星旋转一次,比水星与太阳的距离近8倍。

马约尔和奎洛兹不仅获得了一颗系外行星(以及最终获得了2019年诺贝尔物理学奖的另一半,与皮布尔斯共享),这颗行星本身,即51 Pegasi b,单枪匹马地颠覆了教科书上对太阳系是什么样的理解。正如行星科学家海蒂-哈梅尔所说,"我们曾被灌输了一个关于太阳系如何形成的可爱的童话故事,"这个故事旨在解释为什么岩质行星靠近恒星,而巨型气体和冰质行星却在远处形成。那么,51 Pegasi b,一颗 "热木星",实际上是在擦着它的太阳做什么呢?

巴塔拉还记得佛罗伦萨的观众对马约尔的演讲的反应--沉默。不过很快,怀疑的态度让位于更多热木星的发现。而随着望远镜和技术的改进,其他系外行星也出现了。在佛罗伦萨的那一天之后16年,巴塔拉将领导美国宇航局的团队发现第一颗被证实的岩质系外行星,开普勒10b。


Woman in red.    

穿红衣服的女人。

加州大学圣克鲁兹分校的天文学家娜塔莉-巴塔拉领导的团队发现了第一颗岩石系外行星。她将监督JWST的第一批系外行星的一些观测。

马科斯-罗查(Marcos Rocha)为Quanta杂志撰写

在加州东湾长大的巴塔拉(当时叫娜塔莉-斯托特)几乎没有想过科学,尽管她在17岁时对莎莉-莱德1983年的太空之旅感到兴奋。虽然她的父母都没有上过大学,但她被加利福尼亚大学伯克利分校录取,进入该校学习商业专业。但是,在大二的一个周末,当她在洗衣服时,她记得突然对自己说。"'忘记天赋、资源。如果我可以在这个世界上做任何事情,那会是什么?令人惊讶的是,我立刻想到了答案,那就是为太空计划工作。" 

她报名参加了一个物理课。她很努力,但很喜欢。日常发生的事情可以用数学公式来解释,"给我的生活带来了意义,"Batalha说。"它使我以不同的方式看待我在宇宙中的位置。我想,如果你能写出一个方程来解释薄膜的干涉"--油性水坑产生彩虹光泽的原因--"我们对自然界的认识还有什么限制?" 

Batalha认为她会以某种方式将科学与商业结合起来。她继续上课,然后在怀俄明州红外观测站找到了一份暑期实习工作,这是少数几个地面红外望远镜之一。当她到达那里时,她告诉她的顾问和同僚,她不像他们,她不打算成为一名科学家。但是,当她的导师给她一个问题,她解决了这个问题,后来还发表了一篇文章,他告诉她 "不要自暴自弃,"她说,当她回到伯克利的时候,要去敲Gibor Basri的门。

巴斯里是一位恒星天文学家,让她去分析恒星光谱。亲身体验到的科学方法让她着迷。她还爱上了她的办公室伙伴,巴斯里的博士后塞尔索-巴塔拉。她嫁给了他,在加州大学圣克鲁兹分校攻读天文学研究生,并接连生下了儿子诺兰和女儿娜塔莎。之后还有两个孩子。在这些年里,她和巴西人塞尔索-巴塔拉在加利福尼亚和里约热内卢之间来回移动家庭。里约的生活很美好,但也很复杂;她记得开车经过一些贫民窟时看到路边有一具烧焦的尸体。他们最终在湾区定居。

巴塔拉认为自己主要是一个做天文学副业的母亲,她从未参加过会议。但是当她被邀请在1995年秋天在维也纳举行的恒星光谱学会议上展示关于星斑的新数据时,她破例带着她的父母一起去欧洲照看她最小的孩子。她决定留下来参加下周在佛罗伦萨举行的另一个关于行星的会议。就在第二次会议的最后一天,Batalha注意到一台电视摄像机正在为一个在最后一刻被添加到日程表中的讲座做准备。"她说:"然后米歇尔-马约尔站起来,就那么不紧不慢地谈起了这个星球的发现。

起初,Batalha对新发现的热木星不以为然,继续在圣克鲁斯研究星斑。然后一年多以后,她听说美国宇航局位于硅谷的艾姆斯研究中心有一位名叫比尔-博鲁基的科学家,他决心建立一个能够探测岩石的、地球大小的系外行星的太空望远镜,而不仅仅是气体巨行星。Borucki计划使用过境法。他不像马约尔和克洛兹那样追踪星光颜色的变化,而是寻找由一颗绕行的行星在恒星前面穿过而造成的星光强度的周期性下降,从而阻挡其一小部分的光线。

Batalha不认为这能起作用。正如她碰巧知道的那样,星斑的大小与地球差不多。所以她认为一个小的凌日行星将与一个在旋转的恒星上扫来扫去的星斑没有区别。她把这个问题写给了Borucki。他回信说,美国宇航局拒绝了他的建议,部分原因就在于此,她愿意和他一起在埃姆斯工作,找出如何区分星斑和岩石世界的方法吗?

她愿意,他们就这样做了。下一次,NASA批准了Borucki的提案,而Batalha成为了项目科学家。开普勒太空望远镜--由Borucki和他的团队设计,用于持续监测大约15万颗恒星的亮度,以寻找凌日行星的凹痕--于2009年3月升空。巴塔拉夫妇带着所有四个孩子到佛罗里达州的卡纳维拉尔角参加发射。

    

Samuel Velasco/Quanta杂志;资料来源:NASA。美国国家航空航天局

开普勒交付的是地球大小的行星。"开普勒10b是在我们从航天器传回的头10天的数据中确定的,"Batalha说。当他们把宿主恒星的亮度随时间变化绘制成图表时,肉眼就能看到这个凹陷。来自地面的后续观测证实了这是一颗真正的行星,根据其质量和半径,它必须是岩石质的。Batalha在2011年1月提出了这一明确的探测结果,此前欧洲的天文学家对一颗名为CoRoT-7b的岩质系外行星提出了更为试探性的说法。开普勒10b和CoRoT-7b都没有获得令人羡慕的 "类地 "称号,因为它们在母星附近运行,而不是在 "宜居带",即水是液体的地方。(第一颗有岩石、水和潜在的类地行星,开普勒186f,在2014年成为头条新闻。Batalha并没有正式参与分析)。

开普勒望远镜在因其两个马达故障而过早地陷入困境之前,发现了2600多颗系外行星。总共有4500多颗被统计出来,这个数字足以让天文学家研究它们的统计特性。正如51 Pegasi b所暗示的那样,我们的太阳系是不典型的。例如,银河系中最常见的行星类型是我们所没有的大小,介于岩质行星和巨行星之间。行星天文学家还不了解这些所谓的超级地球或亚海王星的剩余部分,也不知道这些中等大小的行星是什么样的,或者它们是如何形成的。需要新的行星形成和演变原则。

根据迄今为止的数据推断,研究人员认为,我们的银河系拥有数十亿颗含水岩石的行星,这表明生命也可能很普遍。不过,在我们找到生命实际居住在另一颗行星上的证据之前,它在地球上的出现仍然可能是一种侥幸,而我们是孤独的。

令人高兴的是,韦伯望远镜将足够强大,可以探测其他地球的大气层和气候--甚至,如果我们非常幸运,可以找到一个真正的外星生物圈的证据。

"巴塔拉说:"红外线对于系外行星来说是非常棒的。

一击即中      

1987年的一个早晨,天体物理学家Riccardo Giacconi,当时是太空望远镜科学研究所(STSCI)和尚未发射的哈勃的主任,要求副主任Garth Illingworth开始考虑哈勃的继任者。"我的直接反应是,'唉,我们甚至还没有让哈勃发射,而且我们在上面有一百万件事情要做--它有重大问题--所以我们怎么能把这个也做了呢?伊林沃思最近回忆说。"他说,'相信我,你必须尽早开始,因为我知道做这个需要很长时间'。哈勃自1970年左右开始开发,在普林斯顿大学的莱曼-斯皮策(Lyman Spitzer)进行了数十年的宣传后,美国宇航局的天文学家南希-罗曼(Nancy Roman)在其早期带头开发;他们被称为哈勃的母亲和父亲。

来自澳大利亚的Illingworth与他在STSCI的同事法国的Pierre Bely和美国的Peter Stockman聚在一起,就下一代太空望远镜展开了头脑风暴。他们基本上没有什么可以借鉴的地方。"我们开始思考什么是超越哈勃的好东西,补充它所做的一切并探索新的领域,"Illingworth说,"而红外是一个明确的领域。红外线是很难从地面上观察到的。三人认为,在太空中,红外背景要低100多万倍,会有很多东西可以看到。"当你把一种强大的新能力放在那里时,你就打开了大量的科学视野。" 

为了使红外望远镜像哈勃一样敏感,它有一个2.4米宽的主镜,Illingworth、Bely和Stockman意识到,它将需要大大增加,因为它探测的波长更大。他们考虑到,镜子可能必须折叠,以适应火箭。他们还知道它必须是冷的,否则它的热量会使自己的传感器饱和。他们没有主动冷却望远镜,而是想通过阻挡地球、月球和太阳的热量来利用外层空间的极端寒冷。他们对大型被动冷却红外望远镜的模糊概念,经过大量阐述,将成为现在在库鲁等待发射的货物。

1989年,领先的天文学家们在STSCI召开会议,讨论红外太空望远镜可能适合的科学。在哈勃的灾难性启动和拯救过程中,讨论有所放缓,然后在90年代中期又开始了。1995年,戈达德太空飞行中心的约翰-马瑟(John Mather),一位温文尔雅的天体物理学家,接到美国宇航局总部的电话,询问他是否愿意加入这个项目。意识到一个红外望远镜 "将为许多人做这么多事情",他放下一切,签了字。此后,他一直是JWST的顶级科学家。

马瑟称自己是一个 "理论上的仪器制造者"。他小时候在新泽西州的田园里开始建造望远镜,从目录上组装零件,希望能近距离观察火星的表面。在20世纪70年代,作为一个年轻人,马瑟在一个气球上的仪器上工作,但失败了;他和他的同事得出结论,他们在发射前没有进行足够的测试。"他在一份自传中写道:"墨菲定律又被证明了一次。但吸取的教训导致了COBE的胜利,他和乔治-斯穆特因此分享了诺贝尔奖的NASA卫星实验。在90年代初,COBE测量了宇宙微波背景的微妙变化,这些变化被认为是后来所有宇宙学结构的种子。在马瑟看来,对宇宙进行理论研究是好的,但你需要巧妙的仪器来确定任何事情。"所以我们要建造设备,"他在今年秋天告诉我。"对我来说,这是一件英雄的事情。"

Man with grey hair and a blue shirt.   头发灰白,身穿蓝色衬衫的男人。约翰-马瑟,美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家,四分之一世纪以来一直是韦伯望远镜的高级项目科学家。

马瑟曾考虑过疯狂的设计,包括可以折叠的望远镜。然而,在1996年困难的预算环境下,一个研究红外望远镜概念的顶级天文学家委员会提出了一个4米长的镜子,它可以装在火箭整流罩中,大大降低了成本和复杂性。伊林沃思认为这很 "愚蠢"。它不会像哈勃一样好。" 美国宇航局当时的领导人丹-戈尔丁显然也有类似的感觉。在当年的美国天文学会会议上,戈尔丁在一次讲话中说。"你为什么要求这样一个不起眼的东西?为什么不追求6或7米?" 正如委员会成员温迪-弗里德曼所回忆的那样,"戈尔丁基本上说,'你们真是一群胆小鬼'"。他得到了起立鼓掌的机会。"在我看来,他拯救了望远镜,"伊林沃思说。它将会更大。毕竟,它也必须折叠。

在经历了关于8米的激动人心的讨论之后,2001年,美国宇航局最终确定了6.5米的分段镜直径,使下一代望远镜的集光面积超过了哈勃的6倍。问题是。你怎么能在一个5.4米宽的火箭整流罩里装下一个6.5米宽的镜子?

"设计的一个重要部分是你如何把它折叠起来,"马瑟说。外部承包商开发了相互竞争的镜子设计。洛克希德-马丁公司的镜子像花的六片花瓣一样折叠,鲍尔宇航公司的镜子像一个落叶式桌面。TRW公司建议将镜子部分放在适当的位置,就像老式点唱机放唱片一样。在对这些建议进行了一年的思考后,马瑟和他的团队采用了每个建议中的部分内容。主要的合同给了TRW,因为该公司有为美国军方建造复杂卫星的丰富经验,并成功建造了钱德拉X射线观测站。(TRW很快被诺斯罗普-格鲁曼公司收购。)镜子的设计将更接近于鲍尔宇航公司的设计:由18个六边形片段组成的阵列,形成一个更大的六边形,可以折叠在两边。带头提出洛克希德-马丁公司建议的迈克-门泽尔被NASA聘为韦伯的首席工程师。

镜子将由铍制成--轻、强、硬的东西,在粉末形式下是有毒的("铍是一个痛苦的东西,但它是唯一可行的东西,"据Mather说)。铍粉在俄亥俄州被压成块状,然后在阿拉巴马州切割成形状。然后在18个镜段上铺上一层黄金,这对红外光有极强的反射作用,并在加利福尼亚一家专门为此而建的工厂进行抛光。"塑造和抛光望远镜镜面是一门黑暗的艺术,可以追溯到几百年前,"在韦伯的仪器之一MIRI工作的比利时-英国天文学家萨拉-肯德鲁说。

需要具有前所未有的精细度的电机来使六边形镜段在太空中集体聚焦。"马瑟说:"那是我们必须立即发明的东西。"如果你不能做到这一点,你就不能使整个天文台工作。" 波尔航空航天公司提供了能够以10纳米的增量推动每个黄金六边形的执行器,即头发宽度的万分之一。马瑟说,这些马达通过 "弯曲 "或 "将大的运动转换为小的运动 "来工作,尽管波尔公司的设计,尽管是由纳税人资助的,但却是专有的。他说:"当我们给望远镜拍照时,我们必须确保没有人可以看到马达,"。


   

Samuel Velasco/Quanta Magazine; Matt Twombly for Quanta Magazine. Source: NASA

文学家埃德温-哈勃--而是纪念一位早期的局长,詹姆斯-韦伯,他在阿波罗时代是太空机构的负责人。这一选择立即受到了天文学家的反对,而且越来越多的人反对。去年,1200名天文学家签署了一份请愿书,要求重新命名该望远镜,因为他们声称韦伯在 "薰衣草恐慌 "期间协助或无视解雇同性恋政府雇员的行为。经过调查,美国宇航局在10月宣布,历史学家没有发现需要改名的证据。

从亚利桑那大学到欧洲航天局的各个机构都签署了建造照相机、光谱仪和日冕仪的协议,这些设备将在光学系统的焦点处旋转到位,对汇集的红外光的不同部分进行切片和切割。作为交换,这些机构伙伴将获得大量的望远镜时间。

至于遮阳板,即红外望远镜的命运所依赖的脆弱材料,该团队很快就确定了Kapton,一种看起来像薯片袋内壁但却有人类头发般粗细的银色塑料。由于它可能会被撕裂,所以遮阳板需要很多层作为冗余--团队决定采用五层--并且这些层必须被展开、分离,并由一个由吊杆、电缆和绳子组成的系统紧紧固定。推进系统和太阳能电池板将放在向阳的一面,而必须在零下223摄氏度以下运行的光学器件和仪器将蜷缩在黑暗的一面。"JWST有很多第一,很多重要的第一,"总工程师Menzel告诉我,"但那个遮阳板是其中之一。"

  

A man with a beard next to a model of a space telescope.    

一个留着胡子的男人在一个太空望远镜的模型旁边。

美国宇航局戈达德空间飞行中心的迈克尔-门泽尔是韦伯望远镜的首席任务系统工程师--该项目总工程师。

乌米特-古尔森(Umit Gulsen)为《广义》杂志撰稿

门泽尔身材魁梧,留着整齐的灰色胡须,在历史上最复杂的工程项目之一监督数千人的工作;他也是那种能马上告诉你他们来自哪里的人。那就是新泽西州的伊丽莎白--高速公路的13号出口--他父亲在那里开出租车。在最近的一次放大电话中,门泽尔在肘部来回弯曲手臂,解释遮阳板所带来的挑战。"如果你拿一个刚性的东西,比如一扇门,你建立一个漂亮的铰链,你可以预测它的移动方式,"他说。"那是小菜一碟。" 他停止了弯曲他的手臂。"现在你有了毯子。它们很松软。试着在你的床上推开一条毯子,预测它将会变成什么形状。这是很可怕的。绳子也是一样的--拉紧[遮阳板]的绳子。一根绳子可以有一百万种不同的移动方式。" 更糟的是:"现在把所有这些经验放在零重力下,这些东西可以进入你不希望它去的地方。" 平稳地展开遮阳板 "成为一个非常棘手的问题"。

2004年左右,美国宇航局的工程师Chuck Perrygo和Keith Parrish来到Menzel在戈达德的办公室,说他们有一个方法可以做到这一点。佩里戈拿起门泽尔桌上的一张纸,把它折成Z字形。遮阳板可以折成更多这样的Z字形,有时被称为手风琴式折叠。"我很善于识别一个糟糕的答案,我也很善于识别一个正确的答案,"门泽尔告诉我,举起他折成Z形的一张纸。"所以我们都看到了这一点,并认为,这是一种追求的方式。" 诺斯罗普-格鲁曼公司也分别得出了同样的结论。

下一个问题是如何将手风琴的折痕固定在原处,直到遮阳板准备展开。诺斯罗普-格鲁曼公司的工程师安迪-陶找到了解决方案。107个销子,像猫的爪子一样缩回。

销钉的方法产生了另一个棘手的问题:销钉会产生针孔。如果在展开后,所有五个Kapton层上的针孔都排成一行,这将使太阳光通过,加热光学元件。门泽尔说:"这是那些神秘的小细节之一,你永远不会猜到,直到你开始进入它,你开始发现,啊,基督,五个针孔正好排成一排,这将让太阳光直接进入,"。"这听起来不算什么,但这让安迪喝了不少酒。而上帝保佑他,他想通了。" 陶氏勤奋地寻找合适的针脚配置,使五个尺寸稍有不同的Kapton层上的孔从任何角度都不会对齐。

   

  

在前往拉格朗日2号点的一个月旅程中,该望远镜将分数百个步骤展开。           

美国国家航空航天局

鼹鼠被捶打得如此缓慢,以至于天文学家们开始将这种情况称为 "JWST问题"。早在1996年,马瑟和他的团队估计该望远镜将耗资5.64亿美元--这是一个有点虚伪的猜测,目的是让国会加入进来--并且它将在2007年发射。随着价格的飙升和发射日期越来越远,国会越来越不耐烦。2011年,JWST几乎被取消,但小学生们给华盛顿写了信,参议员米库尔斯基再次来到NASA的救援。

玻璃、金属和塑料逐渐在戈达德、诺斯罗普-格鲁曼、鲍尔航空航天公司和其他地方的无尘室中被栓在一起。但是,组装好的硬件不能简单地被送上天,因为望远镜要在一百万英里之外,拿着扳手的宇航员不能去那里。正如诺斯罗普-格鲁曼公司的工程师Jon Arenberg曾经说过的那样,"这是一项一击即中的工作。" 韦伯必须在第一次也是唯一一次尝试中完美地部署。这意味着它必须在地面上进行广泛的、艰苦的测试。而在2017年和2018年,这些测试发现了一个又一个问题。

在一次 "摇晃测试 "之后,在地板上发现了一堆固定遮阳板盖的螺丝和垫圈;它们没有被适当地扭紧。还有一次,遮阳板被卡住并撕裂了。有一次,它展开了,但没有用绳子缠住它不应该缠的东西。

当望远镜被运到休斯顿的约翰逊航天中心时,它又遇到了麻烦,被放置在阿波罗宇航员曾经练习月球行走的房间里,并被低温冷却以模拟外太空的条件。当像莎拉-肯德鲁这样的仪器制造者正在测试这些冷硬件时,哈维飓风来了。整个城市发生了灾难性的水灾,但韦伯团队最担心的是液氮供应。如果它用完了,望远镜的温度会上升得太快,损坏仪器。作为国家大事,不得不敦促液氮供应商派卡车穿过洪水。

The telescope’s hexagonal mirror is shown on its way out of a huge vault.    

图为望远镜的六边形镜面正从一个巨大的保险库中出来。

2017年12月1日,韦伯望远镜在经过约100天的低温测试后,从位于休斯顿的美国宇航局约翰逊航天中心的真空室中走出来。飓风 "哈维 "在外面肆虐,而望远镜经历了类似于太空的寒冷、无空气环境。

克里斯-冈恩/NASA

问题继续存在。今年早些时候,将数据弹回地球的转发器被发现有问题,不得不进行维修。"特伦布莱说:"延迟导致了它自己的一连串问题--以及更多的费用:"仅仅为了让詹姆斯-韦伯在清洁室的地板上工作,每月就要花费1000万美元。" 随着投资的增加,对任务成功的需求也在增加。"特伦布莱解释说:"如果美国宇航局愿意接受更多的风险,JWST的成本将是一半。

最后,问题减少了。诺斯罗普-格鲁曼公司的工程师们在其位于加利福尼亚州雷东多海滩的设施中成功地展开了遮阳板数次。但据Menzel说,即使在闪亮的层级顺利展开后,"我们也不像你想象的那样欣喜。因为我们都知道,遮阳板只会和它最后一次折叠时一样好。" 

韦伯的最终成本接近100亿美元。这几乎是其标价的20倍,但仍比一艘航空母舰少几十亿美元。在最后一些与大流行病有关的延迟之后,2021年底成为其目标发射日期。9月,该望远镜在雷东多海滩通过了最后的测试。金色的耳朵钉在后面,毯子藏起来,整个天文台被翻转过来,然后摆正,然后检查是否有任何变化。然后,它又被放回一个运输集装箱里,并被运走。从一开始就以各种身份参与望远镜工作的Garth Illingworth去雷东多海滩送它。他在一封电子邮件中写道:"它已经站在那里,"高大而雄伟。"到了第二天,清洁室里甚至没有任何与JWST有关的支持硬件。" 集装箱离开加利福尼亚的确切日期是保密的--这是为了防止公海上的海盗行为--但在10月初,它通过巴拿马运河航行到法属圭亚那,这是一个靠近赤道的地区,欧洲航天局在这里发射其超大尺寸的阿丽亚娜5号火箭,利用地球自转的额外动力。


   

    

一名工程师在马里兰州美国宇航局戈达德太空飞行中心的无尘室里检查测试镜段;一名技术员在2021年2月最后一次帮助收拾遮阳板。

诺斯罗普-格鲁曼公司

韦伯团队正忙于排练他们将在韦伯前往拉格朗日点2的一个月旅程中从巴尔的摩全天候执行的例行程序,随后是其五个月的调试期。"我感到有信心吗?"门泽尔说。"是的,我感到有信心,我们已经做了一切可能的事情。风险是可以接受的低。它已经好得不能再好了。而且我非常自信,我们会做得很好。

"会出问题吗?见鬼,是的。"

   

合理的猜测    

一旦哈勃开始工作,人类就像近视眼的孩子第一次戴上眼镜一样,沉浸在宇宙的景象中。我们还了解到那里有我们看不到的东西。

1998年,两个敌对的天文学家小组利用哈勃和其他望远镜观察遥远星系的超新星,并确定宇宙的膨胀正在加速。这暴露了存在一种注入所有空间的加速剂,被称为暗能量。空间是如此之大,以至于暗能量占了一切的70%。(另外26%是暗物质,4%是发光的原子和辐射)。

其他的谜题很快就出现了。天文学家温迪-弗里德曼(Wendy Freedman)利用哈勃观测到了被称为蛇夫座的脉动恒星。2001年,她和她的团队从这些星体中测出了宇宙目前的膨胀速度,达到了10%的精确度,比以前的测量结果有了巨大的改进。在弗里德曼测量之后的几年里,宇宙膨胀率已经落入了宇宙学中最大的争议中心。问题是,根据宇宙的已知成分和管理方程,理论家们推断,目前空间的膨胀速度应该比测量结果表明的要慢。它的快速膨胀可能指向宇宙中除暗物质和暗能量之外的其他未知成分。但是冷静而权威的弗里德曼还不相信测量结果是正确的。她将领导一个团队,利用韦伯望远镜更仔细地检查蛇夫座和其他恒星;他们希望能够精确地测量膨胀率,以确定是否有一个外来的基本成分在发挥作用。


   


   

与此同时,哈勃深场照片讲述了一个关于星系演变的滚滚故事,极大地扩展了人类对宇宙历史的认识。但是,仍然需要韦伯来阅读这个故事中关键的前几章。

Marcia Rieke,亚利桑那大学的一位长期教授,被认为是红外天文学的先驱之一,在过去的20年里一直在监督NIRCam(即 "近红外相机")的设计和建造,这是韦伯的四个主要仪器之一。她和她在亚利桑那州的团队正计划利用其高达900小时的保证望远镜时间的一半以上来进行新的深场调查,这将比以往任何时候都更深入地窥探过去。哈勃可以看到红移10的星系的微弱污点,相当于大爆炸后的5亿年,而韦伯应该能够非常清楚地看到这些污点,并发现在更远的地方发芽的全新的星系,也许远在大爆炸后的5000或1亿年。

Rieke和她的团队将比哈勃深场做得更好。在使用NIRCam获得他们天空中黑暗区域的图像后,他们将确定该区域中最远的星系,并使用NIRSpec,即韦伯的近红外光谱仪,来拍摄这些星系的光谱,Rieke和她的同事可以从中推断出它们的化学成分。

光谱将显示周期表中的哪些元素存在于每个原星系中,以及它们的元素是如何随时间演变的。标准的说法是,早期的气体云、恒星和星系大多由氢组成,而超新星和其他爆炸事件逐渐形成了较重的元素。"但也有奇怪的事情,"Rieke说。"在接近哈勃所能达到的极限时,有类星体" - 由超大质量黑洞驱动的超亮星系中心 - "看起来它们的元素几乎与太阳相同。这很难让人相信。所以有一些早期发生的事情,我们没有很好地掌握。"

   

Hubble Space Telescope floating above earth.    


漂浮在地球上空的哈勃太空望远镜。

哈勃太空望远镜在低地球轨道上,近到可以让航天飞机访问。这张照片是在2002年哈勃的第四次服务任务之后拍摄的。第五次也是最后一次任务是在2009年进行的。

美国国家航空航天局

想要看到第一批恒星和星系的原因有很多,就像有天文学家、天体物理学家和宇宙学家一样。对于斯坦福大学的宇宙学家Risa Wechsler来说,这是一种观察暗物质的手艺的方法。她和她的同事将利用原星系来推断早期宇宙中一定存在的暗物质光环的大小分布,以及它们的形成时间。这可以揭示出暗物质是 "冷 "的,即由缓慢移动的粒子组成,还是 "热 "的,因为呼啸而过的粒子将需要更长的时间来聚集成光环。这种温度检查将是了解暗物质性质的一个重要线索。

其他研究人员希望了解第一批恒星。一些人认为韦伯将看到所谓的 "第三类恒星",这些原始的野兽被假设为比我们的太阳要重大约1万倍。这样的恒星将有助于解决星系形成的另一个主要谜团:星系的中心是如何形成超大质量黑洞的--这些黑洞物理上很小,但却具有难以置信的强大引力,其重量可以达到我们太阳质量的数十倍。没有人知道超大质量黑洞是如何变得如此之重的,或者是在什么时候,或者为什么它们的属性与它们的宿主星系的属性相关联。一种理论是,第三类恒星是黑洞的种子,但也有无数其他理论。韦伯将寻找不同情况下的特征。

理论家们已经模拟了许多关于年轻宇宙中可能出现的结构的可能性。但是他们不能简单地从宇宙微波背景开始,然后在计算机上演化出这幅画面,看看发生了什么。"Rieke在亚利桑那州的一位模拟恒星和星系形成的理论家同事Peter Behroozi说:"很多初始条件都不是很清楚--比如磁场,以及气体中有多少湍流。他说,从宇宙微波背景中一个巨大的、略微密集的斑点到一个微小的气体云,使其在引力上收缩并形成一颗恒星,这是 "大量的工作"。

"通常人们会做的是,他们会跳过这一点,"Behroozi说,"从一团球形的气体开始。他们不知道[暗物质]团块大小的分布将是什么,所以他们猜测。他们不知道磁场;他们不知道关于气体的自旋或湍流的任何情况,所以他们会用猜测来填补所有这些。

最近,随着研究人员竞相在韦伯显示恒星和星系形成的真正过程之前将他们的预测记录在案,猜测工作已经加速。即使是保守的猜测也会产生具有巨大差异的模拟结果。"我的研究的主要结论是,"Behroozi说,"即使你试图做出合理的猜测,我们仍然不知道詹姆斯-韦伯会看到什么。"

 

桥梁行星   

娜塔莎-巴塔拉是娜塔莉-巴塔拉的第二个孩子,她去佛罗里达参加开普勒发射的时候是18岁。她记得和她的妹妹一起跟在美国宇航局科学团队聚集的观察室里。"她在最近的一次视频通话中说:"在发射过程中,那个空间里的焦虑让人心寒。升空后,场面变得欢欣鼓舞。她发现看到一个团队完成如此宏伟的任务是令人鼓舞的,但是发现的可能性是如此近在咫尺,"这才是真正让我的大脑开始思考系外行星这个概念的原因,"娜塔莎-巴塔拉说,她像她的母亲一样严肃而精确。

在Batalha家里,太空并不是一个经常讨论的话题。娜塔莉-巴塔拉说:"我不想让他们的生活充斥着科学,"。"我总是希望他们觉得自己是第一。" 但是她和塞尔索确实对娜塔莎有 "一个秘密的希望"。1996年的一个晚上,当塞尔索在教夜校时,娜塔莉把半睡半醒的孩子们装起来,开车带他们到一片草地上,让他们寻找路过的百武彗星。在他们驶出车道之前,5岁的娜塔莎在后座上说 "那是什么?" 她指着那颗彗星。

娜塔莎八岁时住在巴西,她的母亲让她和她的兄弟姐妹们画一个天文学家。娜塔莎画了一个白人男子,娜塔莉问她为什么。"娜塔莎说:"这对我这个拉美裔科学家和女科学家的女儿来说很疯狂;我的脑海中仍然根深蒂固地存在着这些定型观念。她突然觉得自己可以属于科学的想法很有力量。


   

几年后,她阅读了莎莉-莱德的自传。正如她的母亲受到莱德的启发一样,娜塔莎决定成为一名天文学家或宇航员。她梦想着成为第一个登上火星的人。开普勒发射后,随着越来越多的系外行星被发现,她对地外生命的可能性以及我们如何通过望远镜观察这些行星的天空来推断它们的存在感兴趣。她获得了天文学和天体生物学的双博士学位。然后,在开普勒结束后不久,她的妈妈离开美国宇航局艾姆斯中心,成为圣克鲁兹的教授,娜塔莎在艾姆斯中心找了一份研究系外行星大气层的工作。

娜塔莎-巴塔拉是一个不断增长的研究群体的一部分,他们的最终目标是检测 "生物特征气体"--行星大气中的气体,只有在那里才有可能存在生命。每种分子都有它所吸收的特征波长。因此,通过收集一颗行星在或不在它前面时的星光,并检查行星在那里时星光的哪些波长变暗,你可以看到哪些分子存在于该行星的天空中。

氧气是生物特征气体的一个明显的候选者。它的反应性很强,除非这个星球的氧气供应不断得到补充,比如说,一个进行光合作用的生物圈,否则不太可能发现它。光合作用是一种简单而有效的能量捕获程序,天体生物学家认为它很可能在任何有生命的星球上进化,所以寻找氧气是明智的。

   

   

Samuel Velasco/Quanta Magazine; Source: NASA

但是看到氧气本身并不一定能令人信服。计算机模拟显示,在某些条件下,氧气可以充满无生命星球的天空。"挑战是没有一种气体会成为生物特征气体,"行星科学家哈默尔说。"地球上的甲烷主要是由奶牛产生的......但你看看海王星,你可以看到那里有成吨的甲烷,而那不是由奶牛产生的。" 

一个更好的生物特征是一种奇特的气体混合。"哈默尔说:"它不会是一种单一的气体,它必须是一种气体的组合,其配置告诉我们它们处于一种不平衡状态。"它们不可能以这种方式自然形成。"

现有的望远镜已经在热木星的天空中发现了分子指纹,但这些是没有生命的行星。探测来自岩石的、可能适合居住的行星天空的较弱信号将需要JWST。该望远镜不仅具有接近哈勃100倍的分辨率,而且它将在其宿主恒星的背景下更清楚地看到系外行星,因为行星发出的红外光比光学光更多,而恒星发出的光更少。重要的是,韦伯对系外行星的观察不会被云层遮挡,而云层通常会阻止光学望远镜看到最密集的、低海拔的大气层。Natasha Batalha说:"想象一下在飞机上,俯视着一个疯狂的云层,你根本看不到表面,"。"当你看红外光时,你可以一下子看穿云层。"

   

娜塔莉(左)和娜塔莎-巴塔拉在加利福尼亚的利克天文台外。


系外行星将是JWST "第一周期 "观测的目标之一,它将在部署和调试完成后立即开始处理--大约在发射后六个月。系外行星界选举Natalie Batalha领导对三颗气体巨行星的过境光谱研究,作为这些早期观测的一部分。她的团队还将开发数据管道和处理技术,供社区复制。

第一周期还包括对特定天文学家群体的观测。去年,超过2000个团体提交了在第一周期使用JWST的建议;一个时间分配委员会选择了266个。其中有几十个项目将研究行星。当我与哈梅尔视频聊天时,她在屏幕上分享了PowerPoint幻灯片,强调了韦伯将代表不同的观察者转向它所关注的各种外世界。开普勒16b,它围绕着两颗恒星运行;疑似 "熔岩世界 "55 Cancri e;以及附近Trappist-1恒星系统的七颗岩质行星。(作为韦伯科学小组的长期成员,哈默尔获得了100小时的保证观测时间,他将浏览我们自己的太阳系,包括木星的红斑,柯伊伯带的神秘、遥远的天体,以及哈默尔经常被忽视的最爱,天王星和海王星,它们在她办公室的沙发上像一对毛绒玩具一样出现。) 

在JWST将在第一周期观察的所有系外行星中,Natasha Batalha认为在其恒星宜居区运行的三颗Trappist行星可能有最好的机会出现可探测的生物特征气体。"她说:"Trappist系统是独特的,因为恒星非常小,所以大气层的相对特征大小不需要很大,你就能看到它。然而,韦伯是否有现实的机会发现生物特征气体是有争议的。她说:"经常出现的争议是关于氧气的检测,"她说。氧气在韦伯的敏感度范围内吸收一个红外波长,因此理论上来说,一个富含氧气的凌日行星可以在该波长下使其恒星的光谱出现明显的凹陷。"然而,"她说,这个波长 "正好在探测器失去灵敏度的边缘"。其他类型和组合的气体将更容易被探测到,但可能更难明确地归结为生命。

韦伯可能只是确定可能有生命的行星,然后用未来的太空望远镜对其进行更仔细的检查。天文学家们现在正忙着计划这些。美国宇航局的南希-格雷斯-罗曼太空望远镜,计划在本十年晚些时候发射,主要是为了研究暗能量;类似地球的系外行星是未来望远镜概念的范围,暂时称为LuvEx,这是一个紫外线、光学和红外线望远镜,(如果得到国会资助)将在2040年代中期发射。

我们届时将看什么,取决于我们在未来几年里所学到的东西。

   


   

今年春天的一个早晨,娜塔莎-巴塔拉被同为系外行星天文学家的约翰娜-特斯克的短信惊醒:"我们成功了!" 266个被选中的第一周期项目刚刚公布,由巴塔拉领导的一项提案,以及作为她的副手的特斯克,进入了名单。

他们的计划将是第一周期所有系外行星观测活动中最广泛的:对超级地球和亚海王星进行142小时的调查,这些行星是无处不在的中型 "桥梁 "行星,我们的太阳系缺乏这些行星,它们的组成、可居住性和形成历史都是未知的。假设在接下来的几个月里,一切都按部就班地展开,詹姆斯-韦伯太空望远镜找到了它的焦点,它将代表娜塔莎-巴塔拉和她的团队指向这些行星中的11颗。当她被这个好消息惊醒时,她首先给特斯克打电话。然后她给她的妈妈打电话。


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