同样是看韦布望远镜发回的照片，天文人和你想的可能不一样
2022/7/16 7:00:00 科学大院
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编者按：
看到韦布望远镜发布的第一批照片时，你在想什么？是惊叹于图像的高清，还是被宇宙的浩瀚所震撼，或者是盼望着我们自己的空间望远镜？
而一名中国天文工作者告诉我们，这批照片带给她的感受是三点：“欣赏、自信和在实践中成长”。
今天，我们就来看看这位普通天文人的“享与想”。
北京时间2022年7月11日凌晨5点，詹姆斯-韦布空间望远镜(韦布望远镜)“预热”发布了第一张全彩图像。7月12日晚10点半，韦布望远镜正式发布了首批“伪彩”宇宙深空图像和光谱。这些数据无不展示了韦布望远镜令人惊叹的能力——看得清、看得深。
谈及空间望远镜，大家容易想到哈勃望远镜。有人将韦布望远镜视作下一代哈勃望远镜，但实际上两者的尺寸、空间位置、科学目标、观测波段等各方面存在很大区别。通过与哈勃望远镜的对比，更能让我们认识韦布望远镜。
哈勃望远镜与韦布望远镜
建设空间望远镜，最初的设想可追溯到天文学家莱曼·斯皮策于1946年发表的论文《在地球之外的天文观测优势》。文中指出，一方面由于受到大气扰动的影响，地面望远镜难以达到衍射极限分辨率，而空间望远镜则更能逼近；
而另一方面，大部分的红外和紫外波段辐射会被地球本身的大气阻隔，地球会以热辐射方式向外发出红外线，淹没掉远方的微弱红外信号。因此，红外和紫外望远镜的最佳安放地点是太空。
该文档于1990年重印。最早是于1946年9月1日由当时就职于耶鲁大学天文学系的斯皮策撰写完成。
1990年4月24日，哈勃望远镜成功发射。在30多年的时间里，基于哈勃望远镜的数据，科学家们取得了广泛的科学成果，涉及到天文学的多个领域，如宇宙膨胀、星系演化、黑洞、银河系、太阳系和系外行星等。根据NASA的消息，2021年6月13日，哈勃望远镜的有效载荷计算机停止运行。
哈勃望远镜的主镜口径是2.4米，运行轨道位于地球大气层之上，距离地球约560千米，其观测主要关注的是可见光和紫外波段，同时具有观测较短近红外光的能力(观测波长在200纳米到2.4微米之间)。
与之相比，韦布望远镜的主镜口径达到6.5米，由18块六边形镀金镜片拼接而成，其运行轨道远在离地球150万千米的拉格朗日L2点处，它关注的波段则是红外波段(观测波长在600纳米到28.8微米之间)——工作波段的不同，意味着二者在本质上是不同的 。因此NASA也一直在强调，韦布望远镜不是哈勃望远镜的替代者，而是补充者或是继任者。
韦布望远镜(左)和哈勃望远镜(右)的对比图。
图片来源：Goddard Space Flight Center
韦布望远镜和哈勃望远镜的主镜尺寸大小对比。
图片来源：NASA
韦布望远镜和哈勃望远镜所在位置的对比，本图中天体之间距离非等比例缩小。
图片来源：NASA
韦布望远镜之所以选择红外波段，更多是由科学目标所决定。由于宇宙膨胀带来的多普勒效应，宇宙早期天体发出的紫外、光学波段辐射红移至红外波段，因此红外波段有助于我们研究更遥远的天体，寻找宇宙中诞生的第一批星系，研究星系演化的各阶段；红外波段观测能示踪孕育恒星诞生的星云所发出的辐射，研究恒星及行星系统的形成；此外，红外波段的光谱有助于研究系外行星的大气，探究行星系统的各类性质。
韦布望远镜和哈勃望远镜所能探测的宇宙深度示意图，方向为从左至右。如果说哈勃望远镜能看到幼童时代的宇宙的话，那么韦布望远镜无疑能看到婴儿时代的宇宙。
图片来源：NASA and Ann Feild [STScI]
韦布望远镜发布的首批数据
7月12日发布的首批数据包括了5张高分辨率全彩科学图像和红外光谱，对应了5种不同的天体系统，也正好与韦布望远镜的科学目标相契合——宇宙早期的深场观测、致密星系群、恒星诞生的摇篮和恒星死亡所产生的行星状星云、系外行星世界。
1. 韦布深场 SMACS 0723
韦布深场(韦布望远镜在近红外波段曝光12.5小时)。
图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI
这是一张距离地球46亿光年、位于飞鱼座南部的SMACS 0723星系团的图像，是迄今为止最为清晰的早期宇宙图像。这张图像是近红外相机拍摄的多波段图像合成的“伪彩图”。这张图像覆盖的天空大小看起来相当于伸直手臂看手指尖上放着的一粒沙所对应的张角，揭示了成千上万的星系，包括在红外波段观察到的最暗弱的天体。
2.斯蒂芬五重奏——致密星系群
哈勃望远镜(左)和韦布望远镜(右)观测到的“斯蒂芬五重奏”。
图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI
位于飞马星座的“斯蒂芬五重奏”是视觉图像上五个星系组成的集团。虽然被称作“五重奏”，但其实只有右侧的四个星系正在“打架”中，2.9亿光年之外，组成了致密星系群；最左侧的星系并未参与此次“重奏”，距离我们4000万光年。相较于哈勃望远镜，韦布望远镜给出了有关星系“打架”过程的细节，如星系“打架”对星系中的恒星形成、尘埃气体分布产生怎样的影响。
3.船底座星云——恒星诞生的摇篮
哈勃望远镜(上)和韦布望远镜(下)对船底座星云中年轻的恒星形成区NGC 3324边缘的观测。
图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI
船底座星云距离地球约7600光年，包含着丰富的尘埃，是大量恒星诞生的摇篮。哈勃望远镜拍摄的图像中可以看到壮观的气体尘埃云，而韦布拍摄的图像中能看到原本被尘埃和气体所遮蔽的恒星。
4.南天指环星云——恒星死亡所产生的行星状星云
韦布望远镜对南天指环星云的近红外成像(左)和中红外成像(右)。
图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI
行星状星云NGC 3131，又名“南天指环星云”，距离地球约2500光年。虽然名字是“行星状星云”，但它与行星却没有什么关系，是正在死亡的恒星喷射物质所形成的的星云。
此前，天文学家一直怀疑中心区域的死亡恒星是处在一个双星系统中。韦布望远镜拍到的中红外图像第一次呈现了第二颗恒星的存在(如右图中间的红点)。
5.系外行星WASP-96B的中红外光谱
韦布望远镜对系外行星WASP-96B的高分辨率中红外光谱，确证了行星大气水分子的信息。
图片来源：NASA, ESA, CSA, and STScI
除了图像，此次发布的数据中还有光谱。这里展示了目前得到的最精细的行星大气的中红外光谱，该行星距地球1150光年。韦布望远镜获取的中红外光谱给出了更多的水分子谱线细节。后续，韦布望远镜将对多颗系外行星的大气进行探索，预期将揭开系外行星的更多奥秘。
感想：欣赏、自信和在实践中成长
近日，朋友圈中的诸多朋友在纷纷转发有关韦布望远镜最新发布数据的文章，形成的感想大抵分成三类：震撼于韦布望远镜拍摄的美丽天体图像，感慨于韦布望远镜从无到有的漫长历程，以及对我国在天文学设备(特别是红外波段的)方面差距的一些思考。
作为一个天文人，笔者在此分享下自己的一些拙见。
让我们就先欣赏由人类智慧对宇宙奥秘的好奇所驱动带来的美丽成果。这次发布的首批图像还只是一个开始，对应的拍摄天体多是哈勃望远镜曾经关注过的，从而方便进行对比参照。后续，韦布望远镜将依据科学目标和全球科学家的观测计划拍摄更多天体。预期会带来多个领域的系列成果，公众们会看到类似“最古老星系”、“恒星出生的摇篮”、“引力透镜”、“最XX的恒星”、“系外行星生命之谜”之类的新成果报道。
其次，欣赏羡慕的同时，要依然充满自信，给中国天文人加油。中国天文人们已建设一批天文设备，并基于这些设备取得了一系列重要成果，如中国“天眼”(FAST)在脉冲星、快速射电暴等方向取得的成果，“悟空” 号暗物质粒子探测卫星在高能电子/质子/轻核宇宙射线能谱方面取得的成果、“慧眼”硬X射线卫星在宇宙磁场测量方面取得的进展等。
这些成功的案例表明，做强自己的设备，能保证足够的科学观测时间开展系统性的观测计划，获取一手数据，为取得优秀的科学成果奠定基础，带来基础科学方面的原创发现。当然，这个过程不是一蹴而就的。曾经成功的经验、当前的实践让我们有自信，我们是有能力、有资源、有条件去出好成果，包括重要的原创性成果。
然而，充满自信地努力工作之余，我们需要正视在部分领域存在的差距，需要联系实际，有战略地思考工作方向、工作策略和方法。 有人将韦布望远镜的成功过分地归因于科学体制，却低估了人员的主动性所带来的影响。笔者认为，不去翻看历史细节，不去做深度调研，就轻易下该结论是不严谨的。
“进一步强化体系化建制化优势，服务国家发展战略和重大需求，加强使命驱动的建制化基础研究，自觉履行高水平科技自立自强的使命担当”，这句话对于中科院的科研人员已不再陌生。这句话一定程度上是在强调两点：“使命驱动”，这与前面提到的“有共同目标的”存异曲同工之妙；“体系化建制化”，这是对我院基础研究提出了组织方式和长远要求，其关键之一在于科学决策。在经费和人力有限、人员研究方向分散的情况下，如何进行决策，找到最大公约数，提出体系化建制化的研究项目，组建、调整团队，是一个正在探索中的问题。对于不同学科领域，答案和做法肯定不是唯一的。
从天文领域的一些国际合作项目(SDSS巡天、Gaia巡天、哈勃望远镜、韦布望远镜)能得到一些经验，那就是重视学科领域的科学共同体和科学生态环境的构建。
笔者理解的科学共同体，是有着相同科学观念的科学家所组成的集合体。因着相同的科学观念、共同的目标，聚在一起，共同谋划和推进一个具有“使命驱动”的、需要进行“建制化体系化”来推进的项目。
以韦布望远镜的成长历程为例，根据最初的计划，美国宇航局预计在2007年就能够将韦布望远镜送上天。但由于各种原因，韦布望远镜的发射时间一推再推，再加上一些未预料到的技术难点攻关等，韦布望远镜所需要的经费不断水涨船高，如今，这台望远镜的预算已经高达上百亿美元，是最初的19倍以上。期间，美国的一些部门要求中止这个项目。不过，有众多科学家和合作单位构建的科学共同体的支持，项目坚持了下来。这个科学共同体的共同目标是科学层面的追求——红外空间观测将揭晓的宇宙早期的奥秘、恒星的生与死、系外行星的更多信息。
如果说共同目标使得科学共同体在一定程度上达成了“使命驱动”的共识，那么接下来关键的便是科学决策。科学决策不一定能由科学共同体来决定，但可以由科学共同体来推动。科学决策的本质在于决定项目的优先顺序。需要有人或一个组织来决定，要作出带来巨大影响的艰难决定。
例如，在NASA的空间政策部门内部，他们在策划出选题后，并要将这些选题与更大层面的国家、国际政策世界联系起来。任凭其他人去倡导、建议、游说和抱怨，但处在NASA局长和科学副局长这些关键岗位上的官员们必须正式地作出决定，而作决定从来都不是容易的，特别是当没有足够资金满足所有需要做的事情时。试想，如果没有时任NASA局长丹尼尔·戈尔丁和NASA的科学主管爱德华·韦勒找到足以让“勇气号”和“机遇号”启动的资金，它们也不会最终成功。与决定本身一样重要的是，如何作出决定以及推销它们。
好的科学生态环境是推动项目前进、达成最大成效的重要保障，科学生态环境要有科学共同体来努力构建。例如，天文望远镜筹建过程中，势必会形成各类工作组，如何谋划好大框架和长远图景，提出高要求，加强协同攻关，提升工作质量和进度。在望远镜使用方面，如何最大化天文望远镜的科学产出？在当前中国空间站望远镜项目的推进过程中，就有很多较好的做法，如不定期召开研讨会、仿真软件的使用培训、不同工作组之间的交流沟通。
还有一些值得关注的小细节，此前一些产出丰厚的天文类科研项目无不表明，优质硬实力要发挥作用离不开优质的软实力支撑，这些软实力细化到项目的网站主页(面向同行、公众、媒体)、数据检索、使用指导和科学传播。软实力的打造需要IT行业、媒体等领域的人才来贡献智慧，期待在科学家、工程师着力专业攻关时，有其他行业的人才以灵活的方式为科技创新注入软实力。
结语
宇宙那么大，那么深邃，那么美。探索浩瀚宇宙是全人类的共同梦想。
150万千米之外，韦布望远镜已启动了她“看得清看得深”的上下求索，她将会助力我们人类揭开关于宇宙早期、星系演化、恒星和行星系统诞生和系外行星等领域的诸多奥秘。
暗淡蓝点之上，平凡但不平庸的人类，俯首前行之余，仍不忘抬头仰望星空，追问那个问题“我是谁、我从哪儿来、又该到哪儿去”。科学无国界，探寻宇宙奥秘的道路还需要全世界科学家们一起去努力!
作者单位：中国科学院上海天文台
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