  138亿年前，宇宙诞生于一片黑暗中，即使在几亿年后，第一批恒星和星系燃烧形成时，它们仍然是黑暗的。随着时间的推移和宇宙的膨胀，它们发出的耀眼的光变成了红外线，使得它们——以及我们起源的其他线索——无法被眼睛和仪器所捕捉。 直到现在。周二，迄今为止最强大的太空天文台詹姆斯·韦伯太空望远镜公布了一幅壮观的幻灯片，展示了我们之前看不见的新生宇宙。古老的星系像黑色天鹅绒上的珠宝一样铺满了天空，初生的恒星从星际尘埃积云深处闪闪发光，一颗遥远的系外行星的大气层中有水蒸气的迹象。它们的总和既是对宇宙的新看法，也是对宇宙曾经出现的新看法。  韦伯太空望远镜是NASA引以为豪的哈勃太空望远镜的继任者，历时30年，耗资近100亿美元，它的目的是进入宇宙历史领域，研究第一代恒星和星系，寻找宇宙诞生的“第一缕曙光”，寻找更近的、可能适合居住的世界。它有最大的镜面，最新的技术，并正在玩硬核模式——离地球近100万英里，被誉为天文学和天体物理学的未来，能够观测到宇宙最遥远的地方。 Part 1 漫长的准备  去年圣诞节进入太空只是韦伯的第一步。自1月24日以来，它一直在绕拉格朗日点(L2)运行，该点距离地球约100万英里。在L2，太阳和地球的引力使韦伯围绕太阳的运动与地球同步。  在太空中变形 在它到达那里之前，望远镜的一部分——使仪器保持低温的遮阳板——必须小心地展开，以便18块镀金的六角形镜面能精确地捕捉微弱的红外光。“当你使用一台价值100亿美元的望远镜时，不会有小问题”，NASA负责科学任务的副局长托马斯·祖布臣曾如是说。   ▲ 五月，一颗微流星体划伤了一块镜面 对于在地球上观察的天文学家、工程师来说，那都是一段紧张的时期。总共有344个单点故障，这意味着如果任何一个动作失败，望远镜就会成为无用的太空垃圾。  ▲ 左边是最早韦伯发回来的“自拍”，右边是校准后的 随后，韦伯的四个科学仪器也必须打开。在韦伯到达L2后的几个月里，它的操作人员煞费苦心地校准了18面镜子。今年4月，需要最低温度的中红外仪器（Mid-Infrared Instrument，简称MIRI）被冷却到华氏零下447度，科学家可以开始对它进行最后的一系列检查。这些和其他步骤都完成后，科学就可以开始了。 Part 2 惊艳所有人 今年6月，在巴尔的摩的太空望远镜科学研究所，一个由天文学家、新闻官员和科学传播者组成的小团队聚集在会议桌旁，接收、处理并重新包装人类最新、最伟大的眼睛所能看到的东西，以便与公众分享——在此之前，团队成员首先签署了保密协议，以确保不会提前泄露信息。 六个星期以来，这个小组的任务是：带来惊喜，惊艳所有人。展示一项比目前为止的整个漫威电影宇宙都要昂贵的太空任务的最终承诺，让政策制定者知道所有这100亿美元都花在了什么地方，并向科学界保证，是的，宇宙中一些最难以捉摸的秘密可能最终会触手可及。  在周一的最后一刻，也就是原定发布的前一天，拜登总统在白宫抢先曝光了第一张“Deep Field深空”，130多亿年前大爆炸不久之后形成的星系影像，从而加大了赌注。他说：“这些画面将提醒世界，美国可以做大事。”对拜登来说，这些照片的曝光也是他直接参与一场几乎肯定会激起美国人好奇和自豪的活动的一个机会。目前，由于选民对食品和汽油价格感到恐惧，民主党人质疑他争取枪支管制和堕胎权的能力，他的支持率直线下降。随后周二公布了另外的一系列图像，构成了一次宇宙观光之旅，惊艳所有人，它们做到了。它们用人类肉眼看不到的颜色——不可见的红外线或热辐射——绘制而成，和哈勃曾经拍摄的同一视角的图像相比，可以说是从睡眼朦胧到了wide awake。 宇宙的起源 ●DEEP FIELD  ▲ Hubble Deep Field拍摄位置 1995年，哈勃望远镜连续10天凝视着北斗七星附近的一小块几乎空无一物的天空，收集了它所能收集到的所有光线，慢慢地形成了一幅图像——Hubble Deep Field（哈勃深空）——揭示了比以往任何时候都要暗淡的星系。其中一些发出的光经过了100亿年才到达我们这里。  ▲ Hubble Deep Field  它向我们展示了早期宇宙的一小部分，远在太阳诞生之前。 这是一个宇宙核心的样本：3000个大小不一、形状各异、无定形的星系在太空深处燃烧。星系的形状、大小和颜色各不相同。我们可以看到它们是如何随时间变化。通过哈勃深空，我们几乎回到了星系从大爆炸的混乱中出现的时刻。  ▲ Hubble Ultra-Deep Field 在随后的几年里，哈勃望远镜与其他天文台合作，用长时间曝光和多种波长的高分辨率对天空中的小块区域进行了研究。提供了巨大的、深层星系集合的图片——包括一些存在于婴儿期宇宙不到10亿年的星系。但是哈勃有它的局限性，它不能观测到宇宙诞生最初5亿年的中红外波段。但由于宇宙膨胀，越往回看宇宙，光线就越暗淡、越红。而韦伯覆盖范围更大，能观测到波长范围在600-28500nm的光线（可见光——中红外光）。 哈勃的深空需要数天（如果不是数周的话）的曝光，而韦伯只需要12.5小时就捕捉到了这张照片。这是迄今为止最深处、最清晰的遥远宇宙的红外图像。  为了更好地理解这一点，它展示的其实只是非常非常小的一部分天空，用NASA的话说，“大约是你隔着一个手臂距离去看捏在手指间的一粒沙子大小”。在那片天空中有一个星系团，距离我们46亿光年，名为SMACS 0723，天文学家把它用作一种宇宙望远镜。星系团巨大的引力场就像一个透镜，扭曲和放大了它背后星系发出的光，让暗淡的星系变得更加清晰，否则这些光就会太微弱、太遥远而看不见。  在韦伯拍摄的深空中，我们通过那些星系扭曲成的弧线，能看到非常明显的“引力透镜效应”。在天文和天体物理学家的认知中，巨大的引力透镜效应预示着在这个角度极小，广度极大的宇宙一隅之中，有着比其它地方更密集的引力场天体存在，包括星系团和黑洞。其中一些是科学中所见过的最暗淡的红外物体，它们在宇宙诞生之后不久就已经存在了。  密集的引力透镜效应，以及暗红色的天体在内——照片所展现出的种种现象，似乎都在暗示，再往深处就是宇宙开始的地方。 星系的演化 ●STEPHAN’S QUINTET  ▲ Stephan’s Quintet as seen by JWST. 另一个熟悉的天文场景是斯蒂芬五重奏，这是一个紧密的星系团，距离地球约2.9亿光年，该星系群于1877年首次被观测到。五个星系在天马座中挤得不可思议地紧密。其中四个如此紧密地参与到引力之舞中，它们最终将会合并。它们靠得如此之近，之间的引力作用导致星系之间正在发生极为活跃的气体交换，韦伯可以观测到这些星系相互拉扯时产生的冲击波。从这个区域观察到的红外特征，非常强烈地表明这个区域正在加速诞生无数的新恒星。上图是韦伯迄今为止拍摄的最大的一张图像，它是由两种仪器拍摄的1000多张照片拼接而成：近红外相机(NIRCam)和中红外仪器(MIRI)。它们都能收集红外线波长的光，但是，正如它们的名字所暗示的那样，它们都聚集了稍微不同波长的红外光。结合在一起，便形成了一幅华丽的图像，但仅从其中一种仪器上仔细观察这幅图像也可以揭示出真相。  ▲ Stephan’s Quintet as seen by JWST-MIRI 这是单由MIRI拍摄的斯蒂芬五重奏。这张合成图像提供了星系群的另一个视角，为研究人员提供了非凡的新细节来探索。这张照片中的每一种颜色都有不同的意义，负责管理韦伯的太空望远镜科学研究所解释道:“在这张图片中，红色表示多尘的恒星形成区域，以及极其遥远的早期星系和被厚厚的尘埃包裹的星系。蓝点源表示没有尘埃的恒星或星团。弥漫的蓝色区域表示含有大量碳氢化合物分子的尘埃。对于分散在图像中的背景小星系，绿色和黄色代表更遥远、更早的星系，它们也富含这些碳氢化合物。”哦，最上面星系中心的那个超级亮的点呢？是的，那是一个活跃的超大质量黑洞。虽然我们看不到黑洞本身，但我们可以看到被吸入黑洞的所有物质发出的光——它的亮度相当于400亿个太阳。  ▲ Hubble’s view of Stephan’s Quintet. Image: NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO 哈勃在2009年早些时候升级了相机后同样拍摄过斯蒂芬五重奏。2009年的任务是派遣航天飞机第五次也是最后一次访问哈勃，并对哈勃天文台进行了一次大的调整。除了拍摄这张照片的新相机，望远镜也得到了升级和维修。宇航员在近地轨道上访问哈勃的能力使它在很长一段时间内都在运转。韦伯不具备这样的优势，进行常规检查太远了，但它的燃料可以用20年左右。 星星的死亡 ●SOUTHERN RING NEBULA  ▲ Southern Ring Nebula, as seen by Hubble. 南环星云它是一颗离这里约2000光年的垂死恒星喷出的气体外壳。这是哈勃1998年拍摄的。过去的观测普遍认为，南环星云其实是一个双星系统，这个星云层叠式的气体壳，应该是来自于一枚处于 “濒死”阶段的白矮星，因无法抗拒重力的崩塌，不断向外射出气体和物质残渣，形成了一层层美丽的行星状星云。但是星云和另一颗亮星的亮度更高，人们反而看不到这些美丽气体的真正制造者。  而在这次韦伯发回的照片中证实了双星系统的推测，我们终于首次清楚地看到两颗星相映成辉。两张照片分别是NIRCam的近红外光和MIRI的中红外版本。照片显示，在星云中间漂浮着复杂的碳分子，即多环芳烃(PAHs)。这些分子在太空中漂移，沉淀在云中，然后产生新的恒星、行星、小行星——以及随后可能产生的任何生命。 恒星的孕育 ●CARINA NEBULA  最引人注目的照片是船底座星云，它是一个巨大的漩涡状尘埃云，既是恒星的摇篮，也是银河系中一些明亮、活跃的恒星的家园。用红外线观察，这个星云就像一个若隐若现的被侵蚀的海岸悬崖，上面点缀着数百颗天文学家从未见过的恒星。图片中靠近中心的紫色亮斑便是一颗正在诞生中的恒星，正在从周遭的星云气体中吸取物质，疯狂地“长大”，并且在过程中发生极其剧烈的紫外线辐射。如果说SMACS 0723星团展示的是宇宙最古老和神秘的原初景象，那么船底座星云则带我们饱览了宇宙中最年轻的角落的盎然生机。  新的可能●WASP-96b  如果说有什么是大家都感兴趣的，那就是关于是否有别的智慧生物存在，是否有别的可能居住的星球。周二NASA最先公布的，就是一颗名为WASP-96b的系外行星，它是一个距离地球大约 1150 光年，具有大气层，并且其中有水存在的气态巨行星。光谱中显示了水的明确特征、雾的迹象和云的证据。  太阳系中没有直接类似物的气态巨行星。WASP-96 b的质量不到木星的一半，温度非常高，它的轨道离它的类太阳恒星非常近，公转非常短，每3½地球日就完成一圈（“一年”），所以几乎不可能有和我们地球上类似的碳基生命存在。但是，一个有水的地外行星存在仍然是极其重要和有意义的发现。 Part 3 太空探索从来不只关于太空  向公众展示第一批图像非常重要，哈勃望远镜——现在已经32岁了——强调了这一风险。  ▲ 哈勃望远镜前三年传回来的照片都是糊的，经过宇航员入太空校准后，才正常 哈勃的第一眼图像很明显地表明它的镜面有缺陷，这激怒了美国国会，并使该项目成为一个笑话。但在成功修复后，研究哈勃的科学家们继续制作出令人惊叹的星系和星云的原始照片，比如“创世之柱”（Pillars of Creation），激励了无数科学工作者的职业生涯。但韦伯完全是另一头野兽，它如此独特和先进的能力，甚至连资深天文学家都不知道它将产生什么图像。在这些人类肉眼无法看到的频率下，在哈勃看来是固态的云融化成一缕缕的卷云，遥远的星系变得更加明亮，新的细节从黑暗中显现出来，太空本身被垂死的恒星在最后喘息时咳出的有机分子的光点燃。  ▲ 创世之柱 简单地展示这些东西需要一套独特的调色和风格。NASA希望在望远镜上线后的六周内开始发布第一批图像。虽然连续几周凝视宇宙的崇高深渊有它的好处，但项目周围的寂静也可能被证明是孤独的。例如，在6月初，领导这个早期发布小组的天文学家Klaus Pontoppidan是第一个下载韦伯全“深空”视图的人。这种对遥远星系的长时间探索比人类任何工具都能更早地追溯到时间的开始和空间的边缘。“我坐在那里，盯着它看了两个小时，然后非常非常想和别人分享它，但是，我不能。”  ▲ “地出” 太空探索从来不只是关于太空。故事也很重要。他们经常通过图像来表达——无论是书页上的印刷品、精心制作的直播还是Netflix的特别节目。这一传统至少可以追溯到20世纪60年代，当时正是NASA早期的行政长官詹姆斯·韦伯——他的名字将为新望远镜增光添花——将艺术和视觉交流视为阿波罗计划的关键组成部分。在阿波罗时代，NASA向公众展示了宇航员本人的照片和他们自己拍摄的照片。其中一个目标是创造奇迹。1968年的平安夜，阿波罗8号的宇航员拍下了那张著名的照片“地出”，这是早期环境运动的试金石，它揭示了我们的世界只是月球表面上一个脆弱的蓝色新月。几天后，《时代》和《生活》杂志就把这张照片和诗歌放在了一起。  在阿波罗计划的资金蒸发后的几十年里，一种新的视觉文化出现了，它来自与加州喷气推进实验室(Jet Propulsion Lab)有关的NASA任务，以及卡尔·萨根等与好莱坞毗邻的一批科学家。他们提出了一种新的理由，认为进入太空是为了求知欲，而不仅仅是为了打败俄罗斯人。新闻媒体和政客们被邀请到晚会上观看热切期待的其他行星的第一眼，这些行星就像在太阳系中观光旅行时发回的明信片一样。  ▲ 土星系统  ▲1981年Voyager 2到达土星  ▲ 土星环-Voyager 2拍摄  ▲ 海王星-Voyager 2  ▲ 增强的彩色图像处理增强了观测土星大气中的云和风暴的能力，例如这张1980年11月5日从500万英里(800万公里)范围内拍摄的对流云。  ▲ 1981年7月21日，Voyager 2号在距离土星3390万公里(2100万英里)的地方拍摄了这张“假彩色”照片。 在这个数字图像诞生的时代，执行旅行者号(Voyager)等任务的工程师经常尝试将多波长数据组合成具有超生动色调的图片。“它们看起来就像搏动、移动、变形、迷幻的颜色”，斯坦福大学视觉文化历史学家Elizabeth Kessler说。下一个飞跃是在20世纪90年代中期，在一系列创新之后出现的哈勃望远镜：修复后的望远镜本身有着前所未有的敏锐视野，数字处理的工具要快得多，新生的互联网可以将刻入全球视网膜的难忘图像发送到世界各地。工程师和图像处理器也采用了自那以后在虚构和现实世界中对宇宙的描述中反复出现的新惯例。  ▲ Pismis 24-哈勃  ▲ Cosmic Caterpillar  ▲ Carina Nebula 太空是没有方向的，但许多著名的哈勃照片都把固体表面放在了框架的底部，模糊的地质结构上升，然后在上面是空洞的地平线。Kessler博士认为，这种视觉风格采用了一种独特的美国图形语言，它所唤起的景观在理论上是可以穿越的，同时又具有惊人的广度。想想19世纪西部边疆考察中的画作，安塞尔·亚当斯的摄影作品，无数西片的背景风景，或者是来自约塞米蒂国家公园的埃尔·卡皮坦，隐隐约约地出现在Mac电脑的桌面背景中。  ▲ Bubble Nebula 与此同时，处理哈勃数据的图像处理器采用了一种调色模式，这种调色板很快就主导了更广泛的宇宙摄影领域。这个系统至今仍在广泛使用，它遵循一种被称为色差排序的规则，与我们的视觉系统感知波长较短的光为蓝色、波长较长的光为绿色、波长最长的光为红色的方式相呼应。  ▲ 左边是我们认识的“创世柱”，右边是哈勃呈现的“创世柱” 哈勃的调色板并不在意望远镜看到的波长与人眼看到的颜色的精确匹配。例如，如果你从一艘经过的宇宙飞船的视口向外看，在数字空间中看起来蓝色的东西可能会显得更绿色。但是这个颜色排序规则仍然保持不变。图像中波长最短的几乎总是用蓝色表示，波长最长的用红色表示，以此类推。最终的图像在自然主义和以超人的感官看到这一场景之间取得了平衡——相当真实，但更丰富了关于产生这些光的咝咝等离子体和更冷的云的信息。  韦伯的任务，和哈勃一样，都在约翰霍普金斯大学单调乏味的办公大楼里完成，延续了同样的风格——尤其是对色彩排序的使用，它还可以从人类肉眼无法看到的红外波长中提取出敏感的颜色信息。然而，在给宇宙着色之前，天文学家们必须想出如何在有史以来最强大的眼睛第一次睁开之后做些什么。  2016年，来自太空望远镜科学研究所、NASA以及欧洲和加拿大航天局的一个代表委员会召开会议，开始选择韦伯望远镜的第一个演示目标。他们检查了与望远镜的科学目标相呼应的盒子：比以往任何时候都要深的区域，像水母一样在虚空中跳动的星系，一颗伴有系外行星的恒星，船底座星云等恒星形成区域。最终，这个过程提名了大约70个可能的目标。今年冬天哈勃望远镜开始运行后，他们把这张清单缩减到六个星期内它可以指向的天空区域，加上一些保留下来的区域，在接下来的几个月里，随着哈勃望远镜的科学研究开始运转，他们可以梳理出这些区域。 Part 4 接下来...下一步  在接下来的六个月里，NASA“早期发布科学计划”（Early Release Science Programs）的研究结果将紧随其后。周四，该望远镜及其仪器测试期间收集到的所有数据都将可用。现在这些图像出来了，“天文学家将会疯狂地进食！”40年前望远镜项目的发起人加斯·伊林沃思在一封电子邮件中写道。早期发布科学计划旨在启动韦伯时代，包括对太阳系、星系、星系间空间、大质量黑洞和恒星演化的研究。  木星和它无数有趣的卫星，比如美国宇航局即将进行的任务的目标木卫二，将是一个重点。另外两项研究将致力于系外行星，包括仅40光年远的特拉普斯特-1系统，该系统有7颗行星围绕着一颗昏暗的红矮星旋转。其中三颗行星是地球大小的岩石，环绕宜居带运行，在宜居带表面可能存在水。就像哈勃太空望远镜定义了过去三十年的天文学一样，美国宇航局希望韦伯为新一代研究人员定义这个领域，这些研究人员一直在热切地等待与宇宙的会合。 Stay Hungry, Stay Foolish 良仓今日好物 |
