天文學家們正在爭先恐後地迎接一個迅速逼近的命運之約——一個比以往任何時候都更遠地凝視宇宙隱藏深處的機會。
經過數十年的發展，耗資近 90 億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於 2019 年春季從法屬蓋亞那發射升空。韋伯是與歐洲和加拿大航天機構合作建造的，是美國宇航局有史以來最大、最昂貴、功能最強大的天文臺，擁有 6.5 米的主鏡，這將是太空中最大的主鏡。
與主要用於收集可見光和紫外光的著名前輩哈勃太空望遠鏡不同，韋伯經過最佳化，可以觀測宇宙中的紅外線。在某些波長下，紅外光幾乎可以毫髮無損地穿過塵埃，就像陽光穿過窗玻璃一樣；在另一些波長下，紅外光與物質混合，帶走其原子和分子結構的印記。它也是我們從最遙遠（和最古老）的恆星獲得的最亮的光，因為它們原本可見的光在宇宙膨脹的 130 多億年中被拉伸到更長、更紅的波長。韋伯的紅外眼睛使其兼具 X 射線掃描器、質譜儀和時間機器的功能。有了它們，它將穿透吱吱作響、塵土飛揚的宇宙時代，研究天文學家使用哈勃和其他望遠鏡幾乎才開始瞥見的東西：宇宙最早的星系、在星雲狀子宮中孕育的新生恆星和行星、太陽系內外世界的 大氣層。
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壽命是哈勃和韋伯之間更大的區別。得益於一系列對其在近地軌道位置進行的翻新任務，哈勃正接近其運營的第四個十年，這一壽命幫助它成為人類歷史上最具生產力和革命性的科學儀器。然而，韋伯將駐紮在深空，越過月球軌道，超出輕鬆維修的範圍。它的預期壽命至少為五年——如果一切按計劃進行，甚至可能為十年。對於希望從韋伯有限的壽命中擠出堪比哈勃水平的發現的天文學家來說，望遠鏡的每一刻時間都將是寶貴的。
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（中心）及其多樣化科學能力（周圍的六邊形）的藝術家渲染圖。韋伯設計用於在紅外波長下執行，其四種科學儀器將對古代星系、新生恆星和繞其他太陽執行的行星進行突破性觀測，同時還將研究我們太陽系內的眾多天體。 來源：STScI 和 NASA
攀登韋伯的學習曲線
空間望遠鏡科學研究所 (STScI) 所長肯·森巴赫說：“韋伯的壽命有限，代表著巨大的智力、 финансовые 和技術投資，因此我們需要立即行動起來，讓它的科學成果流動起來。”“但是會有一條陡峭的學習曲線。我們希望使這條曲線儘可能快速且易於攀登。”
數百名研究人員花費數十年時間開發望遠鏡的硬體、軟體和核心科學目標，他們將成為第一批攀登這條學習曲線的人。這個精英團隊的每位成員都保證獲得韋伯總時間的一小部分但意義重大的份額，望遠鏡第一年的大部分觀測（稱為“週期 1”）都用於履行這一義務。這些研究團隊已經非常熟悉望遠鏡的功能，並且可以優先選擇指向的位置，預計他們將產生韋伯一些最具變革意義的發現。 那些初步結果隨後可以指導世界其他天文學家，因為他們爭先恐後地在韋伯消失之前使用它。 除非，在望遠鏡開發早期就制定了規則，允許執行這些“保證時間觀測”的研究人員將其結果保密一年。
加州大學聖克魯茲分校的天文學家加斯·伊林沃思說：“在‘大資料’時代，對於一項耗資 80 億美元、由公共資源資助且壽命為五年的任務來說，這種延遲‘是一個非常過時的概念’。”他還是韋伯的一個有影響力的諮詢委員會的主席。“一年的專有期實際上意味著，這種隱藏的、不可用的資料無法及時被天文學界看到，以便在 [韋伯] 任務開始三年多後進行後續研究。”在遊說更改這些規則失敗後，伊林沃思轉而建立了一個新的“早期釋出科學” (ERS) 計劃來規避它們——在週期 1 中預先載入最多 500 小時的多樣化觀測，立即向公眾釋出，讓所有天文學家有機會吸收結果並將經驗教訓應用於他們自己的韋伯提案。
ERS 的寶貴時間將直接來自森巴赫。作為 STScI 的主任，他掌握著韋伯可用時間的 10%，並且在 11 月 13 日，他宣佈了從世界各地大型研究團隊提交的 100 多份提案中最終選定的 13 份 ERS 提案。 每個成功的提案不僅將利用韋伯追求新穎的科學，還將開發新的工具和技術來使用望遠鏡，所有天文學家隨後都可以使用這些工具和技術。 森巴赫說：“將這些實質性的計劃置於公共領域，使每個人都處於更公平的競爭環境中。”“好的想法應該決定 [韋伯] 未來的觀測，而不是任何人碰巧擁有的過去的成功。”
哈勃太空望遠鏡觀測到的星系團 Abell 2744，它是哈勃“前沿場”計劃的一部分。 在星系團巨大引力場的放大下，來自宇宙早期的一小部分非常遙遠的星系在這張影像中顯示為昏暗的紅色斑點。韋伯將更詳細地研究它們，並可能發現來自更深宇宙歷史的星系。來源：NASA、ESA 以及 J. Lotz、M. Mountain、A. Koekemoer 和 HFF 團隊 (STScI)
照亮宇宙黑暗時代
天文學家已經開始利用哈勃和其他太空望遠鏡來預覽韋伯可能揭示的內容，他們正在觀察一些最大的星系團，這是一個名為“前沿場”的專案。 這些星系團非常巨大，以至於它們扭曲了周圍的空間，形成巨大的“引力透鏡”，放大來自更遙遠星系的微弱光線，這些星系誕生於大爆炸後不到十億年。 人們認為這些星系幾乎與任何星系一樣古老；在宇宙最初的 5 億年中，大部分時間都處於宇宙“黑暗時代”，太熱太稠密，無法形成恆星。 但是，即使透過星系團大小的引力透鏡放大鏡，哈勃也只能將這些早期星系視為因宇宙膨脹而變紅的暗淡汙跡。 韋伯——為研究這些陰暗的時代而專門建造——可以利用引力透鏡來揭示這些甚至更古老的星系，其細節和數量足以準確確定這些古代天體是如何產生的，以及最初是如何將光帶入宇宙的。
加州大學洛杉磯分校的天文學家托馬索·特魯領導的一個 ERS 計劃將做到這一點，將韋伯指向一個名為 Abell 2744 的前沿場星系團，以觀察哈勃視野範圍之外的東西。 特魯說：“透過這些觀測，我們可以觀察從最早的星系到我們所說的恆星形成的頂峰的一切，即大爆炸後數十億年，當時星系正以瘋狂的速度大量產生恆星和重元素。”“我們將準確地瞭解這一切是如何發生的——它是如何進行的、它的來源是什麼以及這些來源是什麼樣的——大的還是小的，富含重元素還是貧乏。”
特魯的計劃將使用引力透鏡來深入觀察，而其他計劃則將擴大視野，只是簡單地用韋伯的紅外視野平鋪天區。 德克薩斯大學奧斯汀分校的天文學家史蒂夫·芬克斯坦領導的 ERS 觀測將使用韋伯對大約八分之一滿月大小的天空區域進行成像。 芬克斯坦說，在那個區域的某個地方，韋伯可能會探測到幾個到大約 50 個極其古老的星系。 這個數字將有助於揭示早期宇宙中恆星形成的效率，並可以預測韋伯能夠看到宇宙時間的確切深度。
哈勃望遠鏡從其 CANDELS 計劃中觀測到的“擴充套件格羅特條帶”，這是一片富含星系的天空區域，大約是滿月的八分之一大小。 韋伯將對整個區域進行成像，以尋找大爆炸後五億年或更短時間內形成的宇宙最早的星系。來源：NASA，Anton M. Koekemoer (STScI)
芬克斯坦說：“在某個時候，足夠遙遠的地方，星系將不復存在。”“甚至可能就在前沿場的極限之外。 這意味著你可能不想花費大量時間去尋找它們，因為它們不存在……。 也許我們用韋伯看不到任何更暗的東西——或者也許我們會看到。”
繪製地圖，描繪行星
儘管韋伯最初是作為研究遙遠星系的主力軍而設計的，但它也將在離家較近的地方取得突破。 一個 ERS 計劃將凝視鄰近新生恆星系統的中心，觀察冰、有機分子和其他行星構成要素在聚結的太陽周圍跳舞。 另一個計劃將尋找可能從木星冰冷衛星的地下海洋噴出的水蒸氣羽流。 但對於許多天文學家來說，韋伯最受期待的工作涉及系外行星——繞其他恆星執行的世界。
當韋伯最初構想時，尚未發現任何系外行星；現在，無數的系外行星充斥著天文學家的目錄。 大部分來自美國宇航局的一項任務，即開普勒太空望遠鏡，它透過觀察行星週期性地掠過恆星表面時產生的陰影“凌星”現象，發現了數千個世界。 雖然這些發現為了解銀河系中的行星提供了廣泛的資訊——大小、質量和軌道週期——但它們對氣候、天氣和宜居性的瞭解卻少得多。 韋伯將無法拍攝外星地球的實際照片來觀察這些細節，但其精美的光學器件仍然可以幫助天文學家掃描繞附近恆星執行的少數行星上的類地條件。
在這張日本 Hinode 衛星拍攝的影像中，金星在 2012 年凌日期間呈剪影狀地出現在太陽前。 陽光穿過金星高層大氣層時，在行星周圍呈現出一個細環；韋伯將搜尋少數凌星世界，以尋找類似的外星空氣特徵。來源：JAXA、NASA 和洛克希德·馬丁公司
與只是調查單個恆星密集視野以尋找凌星現象的開普勒不同，韋伯可以放大單個凌星世界進行更深入的研究。 天文學家應該能夠透過監測穿過某些剪影行星高層大氣層的星光，利用它來探測水蒸氣、甲烷、二氧化碳和其他氣體。 他們還可以記錄行星從恆星前面經過，然後從恆星後面經過的過程，使用兩次觀測之間的差異來粗略測量世界的氣溫、天氣模式和雲層。“韋伯將非常適合系外行星，”開普勒專案科學家、NASA 艾姆斯研究中心的天文學家娜塔莉·巴塔利亞說，她領導著時間最密集的 ERS 計劃，該計劃將使用近 80 小時的韋伯時間來研究凌星世界。“只是這場遊戲很難玩，因為我們正在尋找的訊號非常微弱。 從另一顆恆星 [凌星] 看，金星擋住了太陽光線的萬分之一，而它的大氣層攔截了其中的兩百分之一。 這很難看到——你需要一面大鏡子和精密的儀器才能做到。”
對於他們的觀測，巴塔利亞和她的團隊有更適度的目標。 他們計劃在兩個凌星的木星大小的世界 WASP-39 b 和 WASP-43 b 上試駕望遠鏡的儀器，儘可能多地從星光和行星陰影的偏移模式中收集資料。 他們學到的東西可能有助於規劃對更小、可能多岩石且更像地球的世界的觀測，這將需要對韋伯有限的時間進行更大的投資。 最終，它可能會為許多行星獵人認為的聖盃指明方向：獲得繞另一顆恆星執行的類地行星的實際影像。
巨大的系外行星 HIP 65426 b，如圖所示，這是歐洲南方天文臺 SPHERE 儀器在智利甚大望遠鏡上拍攝的發現影像。 這張影像中已移除了行星的母星，其位置用十字標記；圓圈表示海王星繞太陽執行的軌道，比例相同。 韋伯將獲得該世界和類似世界的新的、更好的影像，為行星形成理論提供關鍵資料。來源：ESO
拍攝太陽系外行星的照片是一項艱鉅的任務；即使是最大、最亮的行星，在其母星的光芒中也幾乎難以察覺地微弱。 韋伯的大鏡面和針對紅外光的最佳化使其成為完成這項任務的強大但並非完美的工具，紅外光最有利於行星與恆星的對比。 由於缺乏高效能的日冕儀——一種阻擋恆星大部分光線的儀器——韋伯可能很難拍攝到比土星小的行星的照片，即使在最好的情況下也是如此。 然而，它將有助於為功能更強大的未來行星成像天文臺鋪平道路。
英格蘭埃克塞特大學的天文學家薩莎·欣克利說：“如果你就我們理想的天文臺向我的社群進行民意調查，它不會是韋伯——它會是其他東西。”他領導著一個 ERS 計劃，旨在直接拍攝巨行星的影像。“韋伯沒有我們希望的解析度——我們希望有一個更大的鏡面來觀察更靠近恆星的較小行星。 但韋伯確實具有令人難以置信的 [紅外] 波長覆蓋範圍和靈敏度。 我們將嘗試榨取它所能提供的一切。” 欣克利的團隊將把韋伯指向三顆被認為擁有行星的恆星，尋找新的世界並捕獲至少一顆已知行星的影像——一顆名為 HIP 65426 b 的年輕“超級木星”，它仍然閃耀著其誕生後殘留的熱量。 測量行星的亮度和顏色將使欣克利的團隊能夠更好地估計其成分和年齡——這兩個關鍵資料點對於確定其確切形成方式至關重要，這可以揭示木星是如何形成的。
欣克利說：“我們以前從未以韋伯的靈敏度觀察過這些系統，因此我們很可能發現我們在之前對這些恆星進行的地面觀測中不敏感的低質量行星。”“但是要做到這一點，我們需要迅速發展我們對這個令人難以置信的天文臺的理解，這是人類有史以來建造的最複雜的太空望遠鏡。”