二十年磨一剑，韦伯望远镜为什么花了这么久？

【导读】 亚利桑那大学天文学教授玛莎·里克（Marcia Rieke）是韦伯望远镜近红外相机（NIRCam）的负责人（“主要研究者”，principal investigator），在韦伯望远镜的首批成果公布后，她与观察者网科普作者岑少宇谈了一些自己的见解。

观察者网：对于大多数受众来说，韦伯望远镜和哈勃望远镜拍摄的深空图像看起来很相似。作为天文学家，您可以从图像中了解到什么？

玛莎·里克：这些图像看起来很相似，但实际上它们携带的信息非常不同。哈勃望远镜拍摄的图像，显示的是物体在可见光波段的样子，韦伯望远镜拍摄的图像展现的是红外光。通过比较在这些不同波长范围内的物体的亮度，我们可以了解到很多事情。对于遥远的星系，我们可以估计它们到底有多远，而从韦伯所拍图像的亮度，我们可以估计星系的质量。

近红外相机的探测器之一，图片来源：亚利桑那大学/NASA

近红外相机的四个探测器组装在一起，外部的黑色挡板可以阻止光线射到任何能反光的表面，例如探测器的边缘。图片来源：亚利桑那大学/NASA

近红外相机的光学路径与对应实物

观察者网：探测遥远星系与研究宇宙早期的情况密切相关，为什么了解宇宙或恒星的起源对人类很重要？

玛莎·里克：任何仰望天空，并思索为什么宇宙看起来是这样的人，都会知道这个问题的答案。人类对我们自己如何产生，对太阳系和银河系如何产生、并给我们提供这样的环境，都充满好奇。

观察者网：韦伯望远镜集成了许多新技术，有没有哪个让你印象最为深刻？

玛莎·里克：我对任何单一的新技术都没有多么深刻的印象，但韦伯团队能将所有这些技术结合在一起并使它们运行良好，这样的表现更让我印象深刻。望远镜和仪器工作得比预期要好，这表明各项新事物正在出色地协同工作。

观察者网：要能够协同工作，首先可能需要解决温度问题，近红外相机是如何降温的？如果不降温，它在轨道上会达到多少温度？

玛莎·里克：近红外相机通过散热器把热量散到宇宙空间里，可以维持在约-233摄氏度。如果没有散热系统，近红外相机的温度会与室温相当。

固定ISIM散热器（FIR，Fixed ISIM Radiator，ISIM即“科学仪器整合模块”，Integrated Science Instrument Module）安装在主镜背后，近红外相机散热器是FIR的一部分。图为FIR的安装过程，图片下方即为倒扣的主镜，图片来源：Ball Aerospace

中红外探测器（Mid-Infrared Instrument，MIRI）需要更低的工作温度，因此由图中的制冷设备支持，图片来源：NASA/JPL-Caltech

观察者网：在开始工作前，校准至关重要，近红外相机使用恒星HD84800作为参考点，这样做有什么好处吗？

玛莎·里克：我们使用恒星HD84800是因为它所在的这片区域方便韦伯望远镜观测，而且它足够明亮，靠观察它就可以展现望远镜校准的细节。

校准阶段拍摄的图像之一，刊载于7月18日的《自然·天文学》上。尽管形状奇怪，但工程师知道此类情况下如何调整，因此并不担心。图片来源：NASA

校准阶段，18面镜子对同一恒星的成像，图片来源：NASA

观察者网：其他探测器也有独特之处，比如近红外光谱仪（NIRSpec），据报道它可以同时观测100个物体，这是如何实现的？

玛莎·里克：近红外光谱仪确实很神奇。它的微快门狭缝对应约0.2角秒宽的天空，实际的尺寸大约相当于人的头发的直径，通过电磁控制。

每个微快门（microshutter）长200微米，宽100微米，图片来源：NASA

每个阵列上排列365乘以171个微快门，尺寸与邮票相当，共有四个阵列，近25万个微快门，图片来源：NASA

通过磁力臂的移动控制微快门开合，图片来源：jwst-docs.stsci.edu

观察者网：下面想回顾下研发的过程。你曾提到过1998年NASA发表公告，邀请科学家们参与对韦伯望远镜的头脑风暴，讨论其任务设定。2001年，NASA再次发表公告，提供机会来参与之后实际上研发了近红外相机的团队。看上去三年的决策时间并不长，不过最终花了20年来完成这一任务，为什么需要这么久？

玛莎·里克：第一份公告实际上是邀请科学家加入咨询委员会。委员会最终的建议是应当加入中红外探测器（MIRI），同时为其他探测器设定了性能要求。第二份公告提供的机会则是领导设计、建造近红外相机。

建造韦伯望远镜花这么多时间的原因是，许多技术需要开发，同时有些问题会冒出来，因为在研发过程中我们也会犯错。

观察者网：在这20年里，技术和团队应该也会有不少变化吧，你如何协调团队，与其他人合作？如何跟上技术的发展？这一项目对你的学术生涯带来了什么改变？

玛莎·里克：整个韦伯望远镜的团队在20年间发生了一些变化，但近红外相机团队基本保持不变。当我们确定了近红外相机的最终设计后，就没有再改变过技术。我们确实必须进行一些更改，因为一些原型部件的表现，没有像我们预期的那样。

这一项目改变了我的学术生涯，因为我花更少的时间从事其他研究，但我仍然定期进行教学以及指导学生。

观察者网：最后让我们再回到一些公众的看法上。韦伯望远镜的首批成果引发了很多关注，但有些人可能只是赞叹照片的宏伟、美丽。从艺术角度说，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）黑洞的第一张图像据称已被收入在纽约的现代艺术博物馆。哈勃望远镜的一些照片也在那里陈列。韦伯望远镜拍摄的图像也会得到这样的认可吗？毕竟，艺术有点像科学，时间上的“第一”往往也是重要的。韦伯只是一个“不同的哈勃”“更好的哈勃”，还是可能在文化史和技术史上都超越哈勃？

玛莎·里克：我想随着时间的推移，我们会看到韦伯望远镜超越哈勃。它很可能会拍下哈勃无法看到的最早的一批星系，因为它们的红移超出了哈勃可以探测的范围。韦伯还可能首次探测到某颗行星，拥有类似地球的大气层。

现代艺术博物馆收录的哈勃望远镜所拍图像之一，图片来源：NASA/现代艺术博物馆

观察者网：还有些人认为伪彩色图像或合成图像不能代表真实世界，甚至没有多少意义。如今，来自大型科学项目的数据需要大量处理工作。公众可以通过伽利略的望远镜与他看到同一个月亮，但他们无法像科学家现在所做的那样看到黑洞或深空。你觉得这会带来什么区别？

玛莎·里克：事实上，韦伯望远镜所看到的光的类型是我们肉眼无法看到的。尽管如此，这样的光线可以靠电学手段探测到。当图像到达地球时，我们为它们着色，以便我们可以看到并了解图像所揭示的内容。重要的一点是，光是由韦伯望远镜上的传感器芯片探测的，我们只是需要将电子数据转换为我们能理解的表现形式。

各国网上都有一些质疑的声音，有时甚至不得不对“阴谋论”辟谣

观察者网：甚至有人认为科学家可以利用原始数据进行研究，并不需要这样的图像，它们只是一种“公关工具”，可以吸引注意力并获得更多资金。你会如何回应他们？你认为激发人们热爱科学的最好的方法是什么？

玛莎·里克：就韦伯望远镜而言，该项目的绝大部分资金已经用掉了，而且展示这些成果并不会让我们额外得到多少资金。我认为展示既漂亮又有科学价值的结果，就是让人们热爱科学的好方法。

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