| 2021年12月，原定于2007年发射的韦伯空间望远镜终于顺利升空，这是人类航天事业的大事情，无论谁干的，都值得祝贺。不过，这年头天天都有大事发生，韦伯望远镜究竟算多大一事儿？ 窥见宇宙 人类对宇宙的了解处于什么水平？这是个让人懵逼的问题，一方面，连太阳系九大行星都找不齐，向天王星、海王星发射轨道探测器都是没影儿的事，另一方面，对几十光年外的类地行星（类似地球的行星）却头头是道，超级地球、孪生地球、宜居行星的新闻不时见诸报端，到底哪个才是人类科技的真正水平？要说清这个话题，得从人类探索宇宙的手段说起。如果咱们能把探测器扔到别的星球上，那探测手段还是比较丰富的，次表层探测雷达、X射线谱仪、磁场探测仪，等等。可惜目前为止，人类探测器远没有飞出太阳系，出了土星轨道就算真正意义上的“人迹罕至”了。所以，大前提就摆在这了：人类只能在太阳系里研究宇宙，更准确点说，人类主要在地球附近研究宇宙。怎么研究呢？只能被动接收来自宇宙的信息。哪些信息呢？电磁波、宇宙射线、引力波，其中大头是电磁波(包括可见光)。可以说，人类对宇宙的大部分认知，都是通过在地球上收集的各种各样电磁波，推算出来的。没错，宇宙是算出来的。比如，观察一个恒星的颜色，或者说，在地球上收集这颗恒星发出的可见光，就可以算出它的表面温度，再加上恒星亮度，就可以算出它的年龄，再添一些参数，就可以算出它的距离。还有更离奇的，开普勒空间望远镜，这哥们儿专门用来寻找类地行星。原理很简单，盯着一颗恒星看，如果这颗恒星的亮度会周期性变弱，那就说明有一颗行星定期从恒星前面飞过，阻挡了少量光线，就像苍蝇飞过探照灯，此曰：凌日现象。据此可算出行星的公转周期、轨道、大小，甚至还可以通过光谱变化的特征，分析出行星大气的成分，比如苍蝇是火红色的，那么探测灯被遮挡时，多少能探测到一点红光。如果这些算出来的参数和地球类似，就称为类地行星。所谓的类地行星，充其量就是见了个影子，至于上面是啥样，有没有生命，科学家知道的不会比算命先生好多少。这么干靠谱吗？当然不算很靠谱，但也没有更好的办法了，人类感知宇宙的手段就这么多。不过，也不算很不靠谱，把这些手段做到极致，也能干出不少活。宇宙博物馆 到了宇宙尺度，时间和空间其实是一回事。 如果你想了解4.2年前的宇宙，那就研究4.2光年外的比邻星，因为我们现在接收到的所有关于比邻星的信息，都是4.2年前发出的。同理，想了解1亿年前的宇宙，那就观察1亿光年外的恒星，对地球人来说，宇宙活脱脱就是一个博物馆，不同距离上的恒星，代表了不同时期的宇宙演化过程。望远镜看得越远，就意味着看得越古老，远到极致，就能看到宇宙初期的样子。这里所谓的“看”，就是收集这些恒星发出的各种电磁波信号。长波信号可以穿透大气层，因此只需把天线放在地表即可，学名“射电望远镜”。短波信号容易被大气层干扰吸收，如红外线、可见光、X射线等，所以得把家伙什儿放到太空，学名“空间望远镜”。  其中可见光部分最为直观，也最为吃瓜群众津津乐道，毕竟这是咱们肉眼能看到的。这活干得最出色的，当属大名鼎鼎的哈勃空间望远镜。哈勃与智利特产 因为大气层对光线的扰动，地面望远镜看太空就像个近视眼，一度导致人类的观测范围只有几十亿光年。1990年哈勃望远镜升空，就像人类伸出水面的一个潜望镜，终于可以一窥宇宙全貌。现在很多耳熟能详的知识：宇宙年龄、宇宙大爆炸、宇宙大小，都有哈勃的功劳。这只以收集可见光为主的望远镜，极大拓展了人类视野，堪称天文学的里程碑。 哈勃不但有巨大的科研价值，其社会价值也不容小觑，拍摄的大量美轮美奂的深空照片，激发了无数普通人对宇宙的向往和思考，可谓功在千秋。    2019年哈勃望远镜公布了迄今为止最详细的宇宙照片，这张照片包含了26.5万个星系，每个亮点放大都可以看到星系全貌（原图可至官网下载，贼大）。  不过，因为继任者迟迟不到位，哈勃不断超期服役，已经在天上待了30多年，难免力不从心。尤其最近几年，面临和国际空间站一样的窘境，扔了吧，可惜，不扔吧，修修补补，维护费早赶上造价了。要知道，在天上干活，费用也是上了天的，一次维修的费用都足够在地面建一个大型望远镜了。 继续烧钱给老态龙钟的哈勃续命是不现实的，哈勃退役几乎板上钉钉，这也意味着人类即将失去唯一的可见光空间望远镜。 那以后的日子是不是又得回到近视眼时代呐？ 不用，因为自适应光学技术的出现。简单来说，这技术可以修正大气湍流等因素对光线的扰动，思路异常简单粗暴，你在哈哈镜里看到了扭曲的图像，那就再拿一个反向哈哈镜把图像还原。大气层就是一面哈哈镜，如何得到一个反向哈哈镜呢？举个例子，首先打一束激光到天上，使大气里的钠元素发光，这个光线穿过大气层回到地面时，也会被扰动，把这个扰动量算出来，相当于测量出了哈哈镜的凹凸规则，以此调整望远镜的镜面形状，得到一个反向哈哈镜。因为扰动是不规则的，所以反向哈哈镜是一面凹凸不平的柔性镜面，又因为空气温度、湿度和气流实时变化，导致哈哈镜实时变化，所以柔性镜面也要跟着实时变化，甚至每秒得调整上千次的镜面形状。不知道本僧有没有把事儿说明白，反正，这个过程令人叹为观止，你跟着叹就是了。  欧洲南方天文台位于智利的望远镜安装自适应光学系统后，拍摄的照片清晰度已经超过了哈勃。  既然如此，那就没必要非得把可见光望远镜放太空了。在地面干活，不但价格实惠，而且完全不用考虑重量和体积，镜头可以使劲造，日子美滋滋的。 早些年，口径8.1米的双子星天文台也算得上一号人物，两台望远镜分别位于夏威夷和智利，一南一北，加上地球自转，观察范围可以覆盖整个天区。但是很快，8米的门槛就被踏滥了，欧洲南方天文台在智利建造的甚大望远镜，由4台口径8.2米的望远镜组成，聚光能力相当于16米口径。日本国家天文台的昴星团望远镜把单面反射镜口径干到了8.3米。这还没完，即将投入运行的位于智利的美国大麦哲伦望远镜，由7块直径8.4米的子镜组成，等效口径大约有25米，成像清晰度达到哈勃的10倍。 单个镜子的口径到了8.4米已经差不多了，接下来就是更凶残的玩法：用一堆小镜子拼成大镜子。 由加拿大美国主导，包括中国在内多个国家参与的，位于夏威夷的，不断被环保组织阻挠建设的30米望远镜，主镜口径30米，清晰度吊打哈勃一个数量级。  预计2024年建成的位于智利的欧洲极大望远镜，主镜口径39米，清晰度比哈勃高16倍……  对望远镜来说，口径就是王道。对口径大小没概念的话，可以对比一下哈勃望远镜，2.4米。  等会儿，好像智利的出镜率有点高啊，这哥们儿天文学很强吗？说到智利特产，大伙可能想到的是樱桃，而本僧想到的却是……天文望远镜。 智利北部地区的气候和大气环境非常适合夜观天象，这里集中了全球一多半的顶级天文望远镜。值得一提的是，中国也在这儿建造自己的天文台，如果不算南极科考站的口径0.68米的巡天望远镜，这应该是咱们头一回在别的国家建造望远镜。  多嘴一句，前面提到的所有望远镜，加一起，还没哈勃贵。 所以这事儿没啥可说的了，相比如火如荼建设的地面望远镜，可见光空间望远镜几乎无人问津……除了中国。 中国空间站有个配套装置叫“巡天光学舱”，是一台口径2米的可见光望远镜，计划2024年发射，届时可能是人类硕果仅存的可见光空间望远镜。那么问题来了，人家都在地上搞了，咱为啥还要上天搞呢？ 首先当然是因为太空望远镜仍然具有地面望远镜不具备的优势，比如，自由地指向任意方向观测，长时间对一个方向连续曝光，不会被人造卫星干扰，等等。其次，哈勃说到底就是太贵，而巡天望远镜和空间站共轨飞行，紧挨着，从空间站出去干活，成本就低太多了。 最有意思的是，巡天可以对地观测，是不是有点意外？这台天文望远镜，居然可以调转方向观察地面，至于这么干的意义嘛……你猜！ 作为人类唯二的可见光空间望远镜，巡天免不了被拿来和哈勃做一番比较，其实吧，这话题和空间站一样，上天时间差了35年，有啥好比的呢？两者差异除了技术水平，很大程度是设计取舍导致的。另外，吃瓜群众们也别指望在这领域一举超越美帝，差距仍有肉眼可见那么大。 说了这么多，那么，韦伯上天究竟算多大一事儿？ 通过对大气扰动的修正，可见光的事好歹算摆平了，但红外线、紫外线、X光就没那么容易打发了，因为这些家伙不是被大气层扰动，而且被大气层吸收了。任凭你在地面如何折腾，也不可能还原已经消失的信号。所以，这活还得上太空。 韦伯：寻找宇宙的黎明 按照现有理论，宇宙一直在膨胀，且膨胀速度超过光速，这导致遥远天体的光谱红移非常明显，那儿发出的可见光，到了这儿可能就成了红外线。这么一来，你想看得远，就得指望红外线。哈勃在红外波段只能凑合用，看到134亿光年就顶天了，也就是宇宙大爆炸后4亿年的情形。但是根据最新的研究表明，宇宙的第一批恒星是在大爆炸后2亿~3亿年之间诞生的，这就是所谓的“宇宙的第一缕光”。 寻找这第一缕光，非红外望远镜莫属。 于是，韦伯来了。  咱们给的官方名字是“韦布空间望远镜”，但大伙已经习惯叫韦伯了。 这家伙之所以拖了14年才发射，是因为确实花了海量心血，充分体现了美帝在精密工业领域的深厚功底，几乎达到了人类工程学的极限。 比如，口径6.5米的主镜，表面粗糙度低于10纳米，另外，为了不浪费这种加工精度，与之配套的支架和控制系统精度可想而知。  这么复杂且庞大的架子，在太空展开后，误差不超过几十纳米。  温度越高，红外线就越强，所以作为一台红外线望远镜，制冷就成了头等大事，不然你自身发出的红外线就足够折腾了。 举个风马牛不相及的例子。 最近俄乌战争中名噪一时的美国标枪导弹，在使用热成像前，需要对红外成像器件进行持续制冷，美军标枪导弹使用手册显示，开机后必须要等2分半到3分半。而导弹配备的小型电池和制冷机只能坚持4分钟，也就是说，射击窗口最多只有1分30秒，如果在1分半内没有完成锁定和发射，射手就必须更换制冷机和电池。因此，只要侦察得当，步坦协同到位，标枪要对付坦克并不容易。 扯远了。无论天上地下，想和红外线打交道，首先自己得够冷。 很多人以为太空这么冷，制冷还不简单！其实刚好相反，因为太空没有空气可以散热，太阳一晒就滚烫，所以首先得隔绝阳光。韦伯带了5层又大又薄的遮阳帆，为了尽可能反射热量，这5层仅几十微米厚的薄帆也是费尽心机，可以保证背面温度在50K以内。 但这还不够冷，为此科学家专门开发了一种脉冲管低温冷却器，这玩意儿不但可以把红外传感器冷却到7K，还几乎没有振动。你想想，如果冷却器造成了几十纳米的晃动，那前期的精确加工就全白忙活了。  如果仅仅是这些，韦伯不至于拖14年，最麻烦的事还在后面。地球本身就是一个很大的红外发射源，为了避免地球干扰，韦伯要离地球远远的。多远呢？在拉格朗日点，简单来说，在这个地方，太阳引力和地球引力相当，飞行器可以悬停在此，有点像地球同步轨道的意思。这种地方有5个，韦伯停在离地球150万公里的L2点。相比来说，哈勃离地球只有590公里，其实哈勃上天后立马就出问题了，主镜偏差了千分之二毫米，拍的照片惨不忍睹，于是就把航天员送上去进行了第一次维修。而150万公里外的韦伯，是绝对不可能派人维修的。韦伯有多达344个故障点，没有多余备份，只要其中一个出问题，100亿美元就打水漂了。悲剧的是，地面测试时，这些故障点经常出问题，比如2018年薄薄的遮阳帆展开时就被撕裂了。在这种压力下，拖14年也就显得没那么离奇了。总之，韦伯有大量令人发指的工程细节，科技含量无可挑剔，堪称人类精密工业的巅峰之作，担得起“史上最强望远镜”的称号。  组装完成后的韦伯 如此吊炸天，那它能看到宇宙的诞生吗？不能，红外线不是万能的，甚至电磁波也不够说明宇宙起源，这活至少要集合引力波、暗物质、中微子等一众骨干才能窥见一二。 韦伯空间望远镜工作在近红外和中红外波段，用于观测宇宙大爆炸初期第一批恒星和星系的形成。按照目前理论，宇宙年龄138亿年，哈勃已经看到了134亿年，而韦伯可以再多2亿年。 2022年3月11日，韦伯望远镜完成了最后一轮镜片微调，传回了第一张校准时拍摄的清晰照片，已经逐渐进入工作状态，预计夏天正式开启科学观测，为人类视野再添2亿光年。  还有一个题外话，韦伯不但是科技典范，也是坑钱典范，不但充分体现了美帝的科技实力，也充分体现了美帝的钓鱼手段。 韦伯最早的预算是5亿美元，不过很快就发现不够烧，第二年就加了5亿，不加不行啊，不然前面的5亿就打水漂了。过了两年，发现钱还是不够烧，再加8亿，不加不行啊，不然前面的10亿就打水漂了。又两年，再加7亿，不加不行啊。三年后，加5亿。过一年，再5亿。两年后，6亿……就这样一口一口，一直啃到了97亿，比哈勃还败家。 慧眼 前面说可见光时，还能看到咱们国家的身影，但在红外波段，似乎有点寒碜？这其实不奇怪，我国是发展中国家，发射的卫星大多是有具体用途的，比如用来监测耕地是否被侵占的农业卫星，比如用来监测森林是否起火的红外卫星，等等，很少用于纯基础科学研究。本僧掐着指头数了数，好像只有2个半：一个是寻找暗物质的悟空号，一个是研究X射线的慧眼号，还有半个是用于验证量子通信技术的墨子号（不算严格意义上的纯基础科学）。其中，慧眼号就是一台空间望远镜，全称：硬X射线调制空间望远镜。  如果说红外线是研究恒星起源必不可少的，那么X射线就是研究恒星死亡必不可少的。X射线属于能量比较高的电磁波，通常来自比较剧烈的天体活动，比如恒星爆炸之类的，研究高能天体肯定少不了X射线，所以也算一个研究热点。相比无人问津的可见光空间望远镜，X射线望远镜算得上络绎不绝。没办法，X射线经过大气层就没剩啥了，大家只能上天去干活，欧洲的XMM-牛顿卫星、美国的罗西X射线时变探测器、钱德拉X射线天文台、日本的朱雀卫星、德国的eROSITA X射线望远镜…… 在各国众多的X射线望远镜中，慧眼妥妥算上乘了，是全世界灵敏度和分辨率最高的硬X射线望远镜。这不算啥，作为慧眼的继任者，由中国领导的大型国际合作空间项目“增强型X射线时变与偏振空间天文台”预计2025年发射升空，到时候就是国际领先的旗舰级空间X射线天文台。  迄今为止最详尽的宇宙X射线图，包含了100万个X射线源，数据来自德国eROSITA X射线望远镜的首次巡天任务。 文明所及 最后，咱们为烧钱的天文学找一个硬核理由。 1974年，为庆祝阿雷西博射电望远镜改建完成，该望远镜向2.5万光年外的M13球状星团发射了一串含有人类文明的信息，这就是著名的“阿雷西博信息”。  如今这条信息已经跑了大约50光年。如果外星人科技再高一点，能探测到无比微小的无线电信号，那么1901年马可尼进行的横跨大西洋电报试验，就是人类发出的第一个无线电信号，如今这个信号已经跑了120光年。 这就是人类痕迹在宇宙中所到达的最远距离。 咱们侥幸一点，就按50光年算吧，目前在这个范围内发现的类地行星大约50颗左右。在这50颗星球上产生智慧生物，并且该生物具有攻击太阳系的能力和意图，概率实在微乎其微，所以地球人还不用担心。 于是，这条信息继续往前跑，在目的地M13球状星团的范围内，已经发现了五六千颗类地行星，算上还没发现的，少说几万颗起步，这回咱就不敢保证了。 再把基数扩大，据天文学家保守估算，银河系至少有60亿颗类地行星，你想想，地球何德何能成为60亿分之一？几乎可以肯定，银河系里一定还有其他智慧生物。 那么，在接下来的10万年里，可能会有智慧生物收到地球人的信息。以目前人类的科技水平，已经可以探测到50光年外的普通雷达信号，如果外星人比我们多发展个两三千年，接收一条几千光年外的电磁波岂不是小菜一碟？ 这事儿，咱得未雨绸缪啊！ 是寄希望于外星人大爷无私的帮助地球人？还是凭借旗鼓相当的科技水平友好交流互通有无？比如，你想看秦始皇登基的画面，那就找到2200多光年外的外星人，拍下“它们”现在的画面（对它们来说是两千多年前的画面），再通过虫洞和它们交换。 阿雷西博信息已经上路，地球人，留给你们的时间不多了。 |
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