無用之學，萬用之基。
文 | 張鵬
昨天晚上，我發現自己的朋友圈突然被韋布空間望遠鏡拍攝的照片刷屏了。
我想應該不是我的朋友圈真的有那麼多天文愛好者一直潛水，而是疫情和經濟的雙重壓抑下，遙遠星空的壯美，撫慰了很多人的內心，至少，藥效能有 1 分鐘吧。
不用懷疑，全世界可能至少有 1 億人同此心境。這一瞬間，科技對人類真正的意義閃耀了，而接下來 5 年，甚至 10 年，如果身處遙遠的第二拉格朗日點（地日引力平衡點 L2）的韋布空間望遠鏡，可以挺住微隕石的轟擊，可以獲得預定的補給和維修，那麼這種全人類級別的震撼，還會至少來個 100 次以上。
韋布空間望遠鏡這個歷時 20 多年，花了近 100 億美金的科技裝備，從商業上看沒有任何意義。但當他第一次睜眼凝視深空，所帶來的震撼和對人類「見識」的提升，立即證明了「無用之學」的價值。
即便是算算賬，拋開科學上必然帶來的巨大的推動作用先不説。咱們就算 10 年時間對 100 億人次的地球人帶來心靈震撼，讓這麼多人看到宇宙的壯美，每一次都是價值 1 美元的「心靈宇宙之旅」。
作為一個「又菜又愛玩」的天文愛好者，很高興看到這麼多朋友被韋布觸動，這篇文章爭取幫大家再品品韋布這個人類科技傑作，以及它首次「睜眼看世界」到底看到了什麼。
圖｜韋布空間望遠鏡
01
韋布是個新高峯
韋布空間望遠鏡本身是一個「技術奇蹟」。
首先是是它把望遠鏡的在軌部署運用到了極致。人類空間望遠鏡的上一個巔峯是哈勃空間望遠鏡。哈勃是可見光波段的大口徑望遠鏡，部署在 570 公里的近地軌道。
這次韋布主要是紅外波段的望遠鏡，其探測天空所得到的圖像，與我們所熟悉的光學星空是不同的，或者説可以看到傳統光學望遠鏡看不到的深空信息。現在紅外望遠鏡同光學望遠鏡、射電望遠鏡一樣是人類探索宇宙奧秘的有力武器。
但是紅外波段的缺點就是不能在近地軌道部署，因為地球上的干擾太嚴重，必須要遠離地球，部署到距離地球約 150 萬公里（是地月距離的近 5 倍）的拉格朗日點 2 號位置，同時還需要有辦法遮蔽來自太陽的干擾，所以攜帶了一個展開後網球場那麼大的「遮陽傘」。
韋布空間望遠鏡總重量 6.2 噸。被主鏡捕捉的紅外線要經過次鏡和三級鏡反射，再由精細轉向鏡傳遞至科學儀器模塊。
而直徑達 6.5 米的巨大主鏡，由 18 塊六邊形鏡片拼接而成，採集光線面積達到哈勃的 5 倍以上。次鏡由 3 個從主鏡正面延伸出來的長臂支撐，而三級鏡和精細轉向鏡被安置在主鏡中心。
韋布空間望遠鏡其實不只是一個大眼睛，它有四種「視覺神經」——也就是四套科學觀測儀器，
其中近紅外光譜儀主要目標是實現對恆星和遙遠星系等天體的大型光譜調查，可以類比為深空觀測裏的廣角鏡頭，能同時對多達 200 個目標天體進行光譜觀測。
而中紅外儀是韋布的「凝視」能力，可以聚焦看到更豐富的天體數據信息。中紅外儀器必須冷卻到更接近絕對零度的零下 266 攝氏度，才可以有效發揮作用。所以韋布為此也變成了個「高科技大冰箱」，還是不需要製冷劑，就可以製冷一輩子那種。
而近紅外相機是韋布空間望遠鏡上的主相機。可以理解為是韋布看得最遠的「長焦頭」，該儀器將拍攝有史以來最遙遠的近紅外圖像，甚至能捕獲到來自大爆炸後第一批恆星和星系的光。
韋布還有近紅外成像儀和無縫攝譜儀。前者可與近紅外相機的主攝像頭同時使用，提供額外的成像功能，而無縫攝譜儀能夠在系外行星凌日（行星公轉時跨越恆星表面）時進行大氣化學成分觀測。預計用不了多久，距離地球比較近的那些系外行星，特別是被判斷處於「宜居帶」的那些神秘傢伙，都會被逐一研究。哪一天通過大氣光譜分析發現了「地球 2 號」，甚至地外生命存在的證據，我一點都不會意外。
韋布發射的時候，其風箏形狀的巨幅遮陽板位於主鏡下方。這個人類有史以來最大的遮陽傘，可以為韋布抵擋來自太陽、地球和月球的輻射。遮陽板面積接近網球場大小，設計成 5 層薄膜結構，最薄的厚度只有 0.025 毫米。遮陽板將望遠鏡分隔成分別朝向深空和朝向太陽的冷熱兩側，其温差極限超過 300 攝氏度。
韋布之所以需要發射到距離地球 150 萬公里的第二拉格朗日點，最主要的原因是這裏望遠鏡可以在太陽和地球兩個天體引力的共同作用下，剛好能獲得隨地球同步運動所需向心力。讓韋布可以隨地球一起繞太陽運行時，始終處於地球暗夜的一側，並確保遮陽板外層始終對着太陽、地球和月亮的方向。只有這樣才能讓紅外波段的觀測遠離干擾，真正看到「更遠更清晰」。
圖｜三代望遠鏡對同一宇宙區域拍攝的照片
其實紅外波段的空間望遠鏡已經經歷了三代，這張圖片是三代紅外空間望遠鏡對同一個宇宙區域的拍攝圖片，體現了一代的「懷斯」、二代的「斯皮策」到三代「韋布」的巨大技術和工程進步！
02
睜眼看到了什麼？
韋布從完成調試工作後，最近顯然就一直沒閒着，一定已經進行了不少拍攝研究。美國時間 7 月 12 日，韋布空間望遠鏡的第一批圖像的終於揭曉。他們是由美國航天局、歐空局、加空局和空間望遠鏡科學研究所的代表組成的國際委員會挑選的。
這張照片中的天體名為「SMACS 0723」的星系團，由於距離我們 46 億光年的距離，所以這實際上是它 46 億年前的樣子。
圖｜「SMACS 0723」星系團
圖片那些明亮的白色恆星是銀河系裏面亂入的傢伙，而顏色越偏紅的星系，則意味着距離我們越遠。其原因是因為宇宙一直在膨脹，距離我們越遠的星系，遠離我的速度也越快，所以根據多普勒效應會帶來的「紅移」現象，這張照片上很好的還原了這一點。
這個看起來很大的區域，在天空中實際只有沙粒大小。哈勃之前拍攝這樣的深空影像要持續曝光數週時間，但韋布只用了 12.5 個小時，就呈現出了「一沙一世界」的宇宙，這體現了其劃時代的觀測能力。
同時照片裏可以看到一些類似「鬼影」的弧形光影，這其實就是「引力透鏡」效應的明顯體現。因為前面有大質量天體、暗物質等的存在，後面的星系光線會產生彎折，呈現出這種奇特的形狀。這是愛因斯坦老爺子當年在沒有任何實際觀測支撐，靠廣義相對論推理出來的現象，現在已經成了深空觀測裏最普遍被發現的景象。
圖｜船底座星雲
這張被無數人轉發的圖片，是船底座星雲。充分體現了科學家們也很會撩人心，因為這實在太養眼了。其實，船底座星雲算是是天空中最大最亮的星雲之一，距離我們也不太遠，只有 7600 光年。一直是個望遠鏡打卡點，哈勃當年也沒少拍它。這次的照片之所以看起來更通透和令人震撼，恰恰體現了紅外波段望遠鏡的優勢——那就是可以看到更多肉眼不可見的光學信息。
這種星雲往往是恆星的嬰兒房，其間正在不斷誕生新的恆星，如果無限放大，甚至可以清晰地看到很多一團一團的「恆星胚胎」，每一個都有太陽系那麼大。之所以星雲這麼好看，也是因為他會被這些恆星的星光照亮和激發，算是宇宙中最壯麗的景象之一了。
圖｜光譜分析圖
這張圖是一個光譜分析圖，講的是 WASP-96 b——太陽系外的一顆氣態行星。這個行星距離地球大約 1150 光年，質量大約是木星的一半。這其實主要體現了韋布空間望遠鏡超強的「光譜觀察能力」。不要覺得這個沒有前面的圖震撼，未來要發現第二個地球，甚至是在系外行星身上發現外星生命存在的證據，就要靠它了。
圖｜南環星雲
這張是一個行星狀星雲——南環星雲。行星狀星雲是一個恆星走到生命晚期超新星大爆發後形成的一個不斷膨脹的氣體雲。它的直徑接近半光年，距離地球大約 2000 光年。這個場景是宇宙中很多恆星的最終歸宿。
當年哈勃也曾經拍攝過非常著名的蟹狀星雲的極高清圖片。有意思的是，一顆恆星在生命末期的爆發，會攪動身邊的星際物質形成這種星雲，但與此同時，這種漣漪也會最終塑造星雲誕生新的恆星和行星。
實際上正是這種爆發才會在宇宙中播撒恆星核聚變末期形成的碳、鐵等更重的元素。地球也好，我們人類也罷，都是因為宇宙百億年來恆星不斷如此生死循環才存在的。歸根結底，大家都是恆星的孩子。
圖｜「斯蒂芬五重奏」星系團
這個被稱作「斯蒂芬五重奏」的星系大家庭。距離我們大約 2.9 億光年，它是 1877 年發現的第一個緻密星系團。其實五重奏中的那個偏白色的星系是個前景星系，屬於湊熱鬧的。人家後面四個橘黃色的星系是真正糾纏在一起，被鎖定在一個在宇宙尺度上的「近距離宇宙貼面舞」之中。
可以看到這些星系之間因為引力作用下彼此的相互影響。比如細長的旋臂和長長的氣態潮汐尾巴都是這場宇宙舞蹈帶來的特色景象。
這些只是韋布空間望遠鏡開始正常工作一個月內的一些圖片。接下來真是難以想象，這個人類的前所未有的眼睛還會帶來多少驚喜和壯麗的宇宙景象。
如果説哈勃空間望遠鏡是人類觀測宇宙的「第一代」傑作，那麼韋布就是一個絕對的技術新高峯。其實，接下來中國的巡天空間望遠鏡也將發射升空。這個整艙縱向全長約 14 米，最大直徑 4.5 米的可見光波段望遠鏡，可以説是一個進化版的哈勃。
再結合前段時間拍攝了銀河系核心大質量黑洞照片的「事件視界望遠鏡」系統（EHT）、以及 FAST（中國天眼）等為代表的射電望遠鏡，如今再加上韋布空間望遠鏡，這些可以構成人類寬波段觀測能力的組合。這將是全人類探尋宇宙奧秘的一次大進步。
如果算算人類在「仰望星空」這方面的全部歷史投入，可能真的都不如一場現代局部戰爭花的錢多。甚至，絕大部分項目本身，花費的資金都小於一個明星創業公司的融資規模。
我曾經有幸拜訪過 FAST 天眼的核心團隊，也和斯皮策空間望遠鏡的項目負責人交流過，這些科學家們其實倒不這麼「矯情」地想問題，他們已經習慣了這種大部分時候被遺忘，偶爾會被世界稱讚 1 分鐘的漫長事業。
世界可能就是這樣不完美，這個客觀狀況未來可能也不會改變。但是當我們每一天都能感受到科技在賦能商業的價值，那麼也確實應該留一點點時間和資源，守護下人類的好奇心和進取心吧。
人類的好奇心和進取心會帶來科學的進步，然後才有技術的革命性發展，然後才有企業和個體的成功。確實應該給那些看起來算不過賬，但實際上無比有意義的科學事業，多一些關注和支持。
我想了想，現在我能做的，可能就是在出差的路上花些時間寫下這篇文章，或許你能做的，是把它轉發出去吧。
*頭圖來源：視覺中國
極客一問
韋布空間望遠鏡值100億美金嗎？
