△哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的星系碰撞，再過(guò)數(shù)10億年后，我們的銀河系將與仙女座大星云發(fā)生碰撞。圖/NASA

而韋布，它將看到更遠(yuǎn)的星系、宇宙的邊界、宇宙的過(guò)去，有希望解開(kāi)暗物質(zhì)、暗能量等宇宙深處最黑暗的謎團(tuán)以及更多未知的秘密。韋布，是人類(lèi)劈向宇宙的一把究極利劍。

△韋布望遠(yuǎn)鏡，將看到宇宙的幼年。圖/吟游詩(shī)人基德

拿技術(shù)難點(diǎn)來(lái)說(shuō)，韋布望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行軌道為距離地球150萬(wàn)公里的日地拉格朗日L2點(diǎn)，如此遙遠(yuǎn)的距離一旦出現(xiàn)故障將無(wú)法修復(fù)，也就是說(shuō)，韋布是一個(gè)沒(méi)有退路的望遠(yuǎn)鏡（而哈勃?jiǎng)t運(yùn)行于距離地球600公里的近地軌道，出現(xiàn)故障可人為搶修）。而2018年的一份報(bào)告顯示，韋布望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)出現(xiàn)344種不同的故障——這足以讓任何人能夠想象出韋布的建造之難。

△日地軌道與5個(gè)拉格朗日點(diǎn)。圖/Wikipedia

除此之外，韋布被設(shè)計(jì)為超越哈勃觀測(cè)極限的望遠(yuǎn)鏡，哈勃最大的局限就是其觀測(cè)范圍主要是可見(jiàn)光，但是宇宙是在膨脹的，銀河系外的星系一直在遠(yuǎn)離我們，這就導(dǎo)致星光抵達(dá)我們的波長(zhǎng)會(huì)拉長(zhǎng)（即多普勒現(xiàn)象：比如當(dāng)救護(hù)車(chē)遠(yuǎn)離我們時(shí)，聲音的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，我們聽(tīng)到的音調(diào)會(huì)發(fā)生變化）。因此想要看到更遙遠(yuǎn)的宇宙，韋布必須觀測(cè)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外線。而觀測(cè)紅外波段需要韋布實(shí)現(xiàn)大量的黑科技。

△光的紅移與藍(lán)移，藍(lán)移位靠近我們，波長(zhǎng)短，紅移為遠(yuǎn)離，波長(zhǎng)長(zhǎng)。圖/ESA

早在韋布之前，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)射過(guò)一系列紅外空間望遠(yuǎn)鏡，它們的觀測(cè)目標(biāo)和波長(zhǎng)范圍各不相同，但主鏡直徑總是越來(lái)越大，使用的材料越來(lái)越先進(jìn)，數(shù)據(jù)獲取、處理與通信能力越來(lái)越高效，從而實(shí)現(xiàn)越來(lái)越精細(xì)的角分辨率，呈現(xiàn)出前所未有的細(xì)節(jié)。

而韋布則是這一切技術(shù)進(jìn)布的集大成者：

主鏡直徑達(dá)6.5米，采光面積達(dá)到哈勃的5倍以上；

△普通人、哈勃與韋布的大小對(duì)比。圖/NASA

主鏡、次鏡和三級(jí)鏡鏡片的制造材料均選用密度低、硬度相對(duì)較高、低溫下不易變形的金屬鈹，鏡片表面噴涂了一層厚度僅100納米的黃金來(lái)優(yōu)化鏡面反射紅外線的性能；

△韋布的4塊鏡面。圖/NASA

包含近紅外相機(jī)、近紅外光譜儀、近紅外成像儀和無(wú)縫隙光譜儀、中紅外儀等設(shè)備的集成科學(xué)儀器模塊將對(duì)韋布收集到的光線進(jìn)行分析成像；

△韋布的近紅外相機(jī)。圖/NASA

面積接近網(wǎng)球場(chǎng)大小的巨幅遮陽(yáng)板位于主鏡下方，為韋布抵擋來(lái)自太陽(yáng)、地球和月球的輻射，將望遠(yuǎn)鏡分隔成分別朝向深空和朝向太陽(yáng)的冷熱兩側(cè)，其溫差極限超過(guò)300攝氏度；

△2020年12月17日，韋布的遮陽(yáng)傘展開(kāi)測(cè)試。圖/NASA

在眾多黑科技的加持下，韋布的探測(cè)波段為600納米至28.8微米的近紅外波段（而哈勃的觀測(cè)波長(zhǎng)在200納米到2.4微米之間）。

2022年1月24日，韋布已成功抵達(dá)拉格朗日L2點(diǎn)，目前，航天器的控制人員已經(jīng)開(kāi)始給韋布的四個(gè)尖端設(shè)備充電，為第一次觀測(cè)目標(biāo)恒星——HD84406做準(zhǔn)備。5-6個(gè)月后，第一批觀測(cè)圖像將被傳回。

△整裝待發(fā)的韋布望遠(yuǎn)鏡。圖/NASA

在韋布的發(fā)現(xiàn)結(jié)果出來(lái)之前，我們來(lái)回顧一下我們到底知道了宇宙的多少深層真相？宇宙膨脹到底是怎么回事？暗物質(zhì)暗能量為什么是宇宙最黑暗的秘密？

超新星與宇宙膨脹

△鉛筆星云與超新星沖擊波，這道超新星沖擊波，以每小時(shí)超過(guò)500,000公里的速度犁過(guò)星際空間。圖/NASA

公元1054年7月4日凌晨，北宋仁宗皇帝的天文學(xué)家楊惟德注意到天空中有些不同尋常。在一彎殘?jiān)屡c即將升起的太陽(yáng)之間，閃耀著一顆新的星星——它太亮了，甚至超過(guò)了金星。在接下來(lái)的 23 天內(nèi)，這顆星甚至在白天都能看到。之后便慢慢暗淡下去，只在夜晚能看到，整個(gè)過(guò)程持續(xù)長(zhǎng)達(dá) 20 個(gè)月之久。

今天的天文學(xué)家給這次宇宙奇觀起了個(gè)乏味的名字SN1054，但我們可以叫它金牛座超新星。這是歷史上有記載的最明亮的超新星爆發(fā)事件之一，保守估計(jì)最亮?xí)r達(dá)到-6 等，它留下了一個(gè)膨脹的、破碎的高溫氣體星云，直到今天我們?nèi)匀荒軌蚩吹健?/span>

△哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的蟹狀星云，蟹狀星云是公元元1054年超新星的遺跡。圖/NASA

超新星是宇宙中最激烈的能量釋放過(guò)程之一。而現(xiàn)在，科學(xué)家們認(rèn)為，正是這次超新星，導(dǎo)致了金牛座的著名的蟹狀星云的形成。

超新星爆發(fā)是大質(zhì)量恒星演化的一個(gè)階段，在恒星的壽命快要結(jié)束的時(shí)候，其內(nèi)核燃料燃盡，如果恒星質(zhì)量過(guò)大，則會(huì)坍縮釋放出大量的能量。

超新星可以分為I型和II型兩大類(lèi)，其中I型超新星又分為Ia、Ib、Ic三類(lèi)。其中，Ia型超新星在理論上都具有相同的性質(zhì)，它們徹底毀滅時(shí)的質(zhì)量總是1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，每一次爆發(fā)都釋放出相同的能量，因此其視亮度就反映了它們離我們的距離，可以作為測(cè)量遙遠(yuǎn)星系距離的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，為研究宇宙膨脹速率和暗物質(zhì)分布提供證據(jù)。（標(biāo)準(zhǔn)燭光：宇宙中光度已知的星體，在測(cè)量遙遠(yuǎn)天體距離的時(shí)候，可以起到尺標(biāo)的作用，只要測(cè)量一下在地球上看到的它有多亮，結(jié)合它原本應(yīng)該的亮度，就能算出它到地球的距離。）

△NGC7814: 有超新星的小寬邊帽星系，這例編錄號(hào)為SN2021rhu的恒星爆炸事件，分類(lèi)為可用來(lái)宇宙距離尺標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)燭光）的Ia型超新星。

宇宙膨脹，最早由天文學(xué)家埃德溫·哈勃（哈勃望遠(yuǎn)鏡取自其名）提出，1924年，他用造父變星法（造父變星是亮度變化具有周期規(guī)律的天體，因而可以通過(guò)其光變周期與視亮度推算其距離）測(cè)得仙女座大星云和M33距離我們的距離達(dá)到93萬(wàn)光年，遠(yuǎn)超銀河系的范圍，從而證明它們是銀河系之外的其他星系。隨后哈勃通過(guò)觀測(cè)來(lái)自河外星系的光的波長(zhǎng)變化（即前文提到的多普勒頻移），發(fā)現(xiàn)所有的河外星系似乎都在遠(yuǎn)離我們（也就是“紅移”）。

△星系的紅移和藍(lán)移示意圖，當(dāng)星系向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，光譜會(huì)向藍(lán)色移動(dòng)，反之向紅。

是因?yàn)榈厍蚧蜚y河系不受歡迎嗎？當(dāng)然不是，而是一個(gè)更廣闊的宇宙擴(kuò)張的證據(jù)，在這個(gè)宇宙中，所有東西都在遠(yuǎn)離其他的一切。星系就像正在烘烤的面包上的葡萄干，任何兩顆都在互相遠(yuǎn)離，即“宇宙在膨脹”。

通過(guò)更多的觀測(cè)，哈勃發(fā)現(xiàn)，這些河外星系的運(yùn)動(dòng)與距離存在一定的規(guī)律：離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，它遠(yuǎn)離我們的速度就越大。因?yàn)?/span>單位空間的膨脹速率是一樣的，但天體之間分離得越遠(yuǎn)，它們之間就有更多的空間參與膨脹，因此就具有更高的速度。哈勃再次出場(chǎng)，將這一原理反向演繹，既然更遠(yuǎn)的距離意味著更高的速度，那么更高的速度當(dāng)然也代表著更遠(yuǎn)的距離。他計(jì)算出每百萬(wàn)光年的平均膨脹速率（現(xiàn)在被稱(chēng)為哈勃常數(shù)），并向人們展示如何根據(jù)星系退行的速度估算它的距離。

△正在望遠(yuǎn)鏡前工作的哈勃。圖/Wikipedia

不過(guò)在最初，哈勃常數(shù)并不能精確到具體的數(shù)值，而有一個(gè)相當(dāng)廣的近似范圍，人們無(wú)法精確計(jì)算出宇宙膨脹的到底有多快，是加速膨脹還是減速膨脹？要知道，不同的膨脹速度可能會(huì)導(dǎo)致截然不同的宇宙結(jié)局。宇宙的膨脹速度，很可能和宇宙的最終命運(yùn)有著直接的關(guān)系。

那么如何計(jì)算出宇宙的膨脹速度？該前文提到的Ia型超新星開(kāi)始發(fā)揮作用了（還有其它諸如造父變星的方法）。相較于同樣作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的造父變星，Ia型超新星釋放出的能量要大得多，因此在遙遠(yuǎn)得多的距離上仍然能被我們看到，也更容易校準(zhǔn)。通過(guò)它們，我們可以測(cè)量那些無(wú)法觀測(cè)到造父變星的遙遠(yuǎn)星系的距離。

△三種方式驗(yàn)證哈勃常數(shù)：Ia型超新星、造父變星和視差法，左邊虛線框利用視差法校準(zhǔn)造父變星法，中間鄰近星系中造父變星校準(zhǔn)Ia超新星。

20世紀(jì)90年代，有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始尋找遙遠(yuǎn)星系中的Ia型超新星，通過(guò)它們的峰值亮度推算出距離，然后用紅移和哈勃常數(shù)計(jì)算的結(jié)果作對(duì)比。研究人員認(rèn)為，如果幸運(yùn)的話，他們可以通過(guò)Ia型超新星找到宇宙自大爆炸以來(lái)正在減速膨脹的證據(jù)（理論上，隨著可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)的引力將所有東西向彼此拉攏，這些引力應(yīng)該會(huì)逐漸壓倒大爆炸的初始動(dòng)力而導(dǎo)致宇宙膨脹減速）。那些最遙遠(yuǎn)的超新星看上去應(yīng)該會(huì)比用紅移計(jì)算的距離更亮，因?yàn)橛钪媾蛎浀乃俣入S著時(shí)間推移而減慢，那些超新星實(shí)際上要近一些，因此會(huì)更亮。

△哈勃望遠(yuǎn)鏡傳回的新數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了宇宙膨脹。圖/NASA

然而，經(jīng)過(guò)多年的超新星觀測(cè)交叉驗(yàn)證，最終他們得到了完全相反的結(jié)果，并在1998年公布了他們的發(fā)現(xiàn)：宇宙并沒(méi)有減速，相反，它在加速膨脹——一定有什么東西將宇宙的邊界加速推離我們。

而這種東西，可能就是我們常在科幻片中聽(tīng)到，卻對(duì)其了解極少的——暗能量。

暗能量與宇宙的命運(yùn)

宇宙學(xué)家邁克爾·特納創(chuàng)造了暗能量一詞來(lái)描述將宇宙加速推離的東西，這個(gè)名詞現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛接受，但我們?nèi)圆恢浪唧w到底是個(gè)什么東西。然而可以明確的是，暗能量占據(jù)了整個(gè)宇宙的70%，并將引領(lǐng)宇宙走向它的終極結(jié)局。大部分暗能量理論遵循以下兩種處理方式之一：

1.精質(zhì)派，也叫第五元素派，將暗能量視為一種“標(biāo)量場(chǎng)”（物理學(xué)概念，指一種只有強(qiáng)度沒(méi)有方向的場(chǎng)，會(huì)因在宇宙中位置的不同而變化）。在這個(gè)模型中，暗能量可能是“反重力”的第五種力（宇宙中已知有四種力：引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力），這種反重力能奇特地將物質(zhì)推離彼此。

2. 宇宙常數(shù)派，將暗能量視為一種均勻充滿空間的常能量密度，等價(jià)于真空能量——通過(guò)這種處理，暗能量就能符合構(gòu)成宇宙結(jié)構(gòu)的時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)，隨著宇宙的膨脹，空間越來(lái)越大，就會(huì)不可避免地產(chǎn)生更多暗能量。

△物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量的占比。圖/柚子木字幕組。

如果宇宙學(xué)常數(shù)派是正確的，暗能量會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大，在這種情況下，宇宙會(huì)面臨令人絕望的命運(yùn)——大撕裂。目前，暗能量只在幾十億光年內(nèi)為人所知，但隨著空間膨脹和暗能量效應(yīng)的增強(qiáng)，最終，維系宇宙的力量會(huì)漸漸減弱。星系團(tuán)會(huì)首先感受到變化，最終完全解體。接下來(lái)，星系也將由于內(nèi)部引力減弱而解體，恒星在星系空間中孤獨(dú)地流浪。直到物質(zhì)在亞原子層面被撕成碎片，一切都將消失殆盡。

△大撕裂。

幸運(yùn)的是，如果這樣的事情會(huì)發(fā)生，那也是很久很久以后的事情了。

我們不知道事情究竟會(huì)如何發(fā)展，暗能量和暗物質(zhì)作為目前科學(xué)界頭頂?shù)膬啥錇踉?，?dāng)它們的謎題被解開(kāi)時(shí)，將會(huì)是物理學(xué)再一次大發(fā)展之時(shí)。而韋布望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)尋找出另一種截然不同的答案。韋布望遠(yuǎn)鏡最遠(yuǎn)可以看到宇宙剛誕生時(shí)期的情況（138億年前，宇宙誕生5000萬(wàn)年，剛剛孕育出第一顆恒星）。關(guān)于宇宙的真相，可能將會(huì)被揭開(kāi)。