7月20日：美丹研究人员用韦伯望远镜发现可能最古老星系GLASS-z13

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7月20日，英国《新科学家》杂志网站进行了报道，美国研究人员和丹麦研究人员利用詹姆斯·韦伯空间望远镜所提供的数据，发现了一个星系，这个星系可能是迄今为止已知的最古老的星系，它就是GLASS-z13 。

现有数据显示，该星系与地球的距离大约是135亿光年，它诞生于宇宙大爆炸发生后的3亿年。然而研究人员称，这一结果仍需要通过进一步观测来加以证实。

此前，已知最古老的星系纪录被 GN-z11 星系占据，它距离地球约 134 亿光年，是由哈勃空间望远镜观测到的。

1609年伽利略仰望星空，2016年“中国天眼”FAST建成，2021年“鸽王”韦伯望远镜顺利升空，人类对宇宙的探索已走过400多年旅程，期间有振奋，有遗憾，库叔带你一起回顾。

文| 谢芳瞭望智库观察员

本文为瞭望智库综编。

观星400余年

1608年，荷兰眼镜商汉斯·利普赫发明了望远镜，次年，伽利略·伽利雷用风琴管做镜筒，在镜筒两端分别嵌入一片凸透镜和凹透镜，于是一架放大率为3倍的望远镜诞生，到了年底，他又将放大倍数提高到了32倍，并用其观察太空。

伽利略制造的望远镜。

我们对宇宙以及自身在宇宙中所处位置的认识，由此发生巨变。

在这之后的400多年时间里，有无数科学巨人投身到其中，望远镜的观测能力获得了突飞猛进的进步。

伽利略制作的是折射式望远镜，借助这些望远镜，他发现了月球表面存在高低不平的情况，发现了土星光环，还发现了太阳黑子等天体现象，由此开辟了一个新时代，在这个新时代里依靠观测和实验来了解天象、解释天体运动，同时也为“日心说”最终取代“地心说”奠定了基础。

不过，折射式望远镜存在缺点，色散会让物体模糊，相差会让物体变形。

1668年，牛顿制成第一架反射式望远镜，该望远镜解决了色散问题，自此折射式望远镜与反射式望远镜开始平行发展。英国天文学家威廉·赫歇尔制造过400多架反射式望远镜，于1781年发现了天王星，他还成为第一个确定银河系形状、大小和星数的人。

1895年，美国的克拉克父子制造出叶凯士望远镜，其口径为102厘米。因为玻璃透镜越大制作难度越高，并且重量巨大，中央部分容易变形，会影响观测质量。所以叶凯士望远镜没有让人类对宇宙有更新的认识，显示出折射式望远镜的发展走到了尽头。不过它至今仍是世上现存最大的折射式望远镜 。

2022年6月12日，西藏天文馆奠基开工仪式在拉萨举行，建成后它将是世界海拔最高的天文馆，到那时，其搭载的一米级光学天文望远镜，会成为世界上口径最大的折射式望远镜。

1930年，德国光学家施密特（.V.）把折射式望远镜与反射式望远镜的优点相结合，制造出第一台折反射式望远镜。此后，这类望远镜被称作“施密特望远镜”。施密特望远镜依靠反射式望远镜的高清晰度以及折射式望远镜的大视场，成为“巡天警察”，用于巡天工作，发现目标后，借助其他望远镜做深入观测。

在此期间，因工业技术进步，玻璃材料经镀银或镀铝制成的反射镜，可避免金属镜生锈问题，还能弥补反射率不高的缺陷，反射式望远镜再度迎来发展高潮。1948年，5.08米口径的海耳望远镜在美国帕罗玛山天文台建成，这标志着天文望远镜的发展抵达了前所未有的高峰。它作为世界上最大的反射式望远镜的地位，一直保持着。直到1993年，凯克望远镜建成。凯克望远镜位于夏威夷岛。它的口径达10米。至此，它的地位才被超越。

1976年，苏联建成了BAT-6反射式望远镜，它的口径达6米，不过其运行存在缺陷 。

以上回顾的，只是光学望远镜，它通过玻璃镜片收集“光”来观测太空，并且针对的大部分是可见光。

百米“巨眼”

光学望远镜蓬勃发展，与此同时，宇宙中发现了另一种信号，这种信号催生了射电望远镜。

1931年，美国新泽西州贝尔实验室的央斯基（K.G.）在搜索长距离无线电通讯干扰，他在14.6米的波长上，意外发现有一种无线电干扰，这种干扰每隔23小时56分04秒就会出现最大值。

经过一年多的测量与分析，央斯基在1932年发表的文章中作出断言，这是来自银河中心方向的射电辐射，射电波研究天体的新纪元就此开启了。

射电望远镜不采用光学望远镜的玻璃镜片，而是运用巨大的天线来捕捉无线电波，这种电波看不见、摸不着。它通过分析接收到的射电辐射信息，从而全面揭示各类天体的位置、图像、运动以及随时变化的状况。央斯基当时使用的旋转天线阵长30.5米、高3.66米，可将其视作射电望远镜的雏形。

1937年，美国天文学家雷伯制造出世界上第一架抛物面天线式射电望远镜，二战期间雷达技术发展，促使战后兴起雷达改装射电望远镜的浪潮。

2022年7月21日，在贵州黔南州境内，有“中国天眼”500米口径球面射电望远镜，此照片为维护保养期间拍摄，是无人机照片，图｜新华社

此后，射电望远镜朝着更大更强的方向发展，其口径持续增大，1957年，英国曼洛弗尔射电望远镜的抛物面天线直径达到76米，1963年，美国阿雷西博射电望远镜的球面直径达到305米，2016年，中国FAST的球面口径达到500米，一次次创造新的科技和建筑奇迹。

阿雷西博射电望远镜曾是世界上最大的单面口径射电望远镜，2016年被中国的FAST取代后，退居第二。2020年12月1日，因年久失修等原因，阿雷西博射电望远镜发生坍塌，库叔曾发文介绍。

当然，射电望远镜做出了巨大贡献，在20世纪60年代，它直接带来了四大里程碑式天文发现，分别是类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，并且由此获得了五项诺贝尔物理学奖。

大型单口径射电望远镜发展到一定阶段后，新型观测技术再度问世。综合孔径、射电干涉仪、甚长基线干涉仪等新型射电干涉技术，使科研工作者能够更高效地从噪音里提取有用信号，能够扩大观测覆盖范围，还能够方便成像。

美国甚大阵综合孔径射电望远镜，荷兰威斯特博尔克综合孔径望远镜，澳大利亚望远镜致密阵，这些望远镜能够运用干涉原理，通过几架望远镜实现一架口径等同于几架望远镜基线距离长度的望远镜的观测性能 。

甚大阵综合孔径射电望远镜位于美国新墨西哥州沙漠中，它由27面口径为25米的射电天线组成，是世界上最大的综合孔径射电望远镜，能观测到160公里以外的物体，哪怕该物体如高尔夫球大小且发射无线电信号。

多天线射电干涉仪的目标更为宏大，甚长基线干涉仪的目标也更为宏大，它们能够让望远镜的口径达到地球的尺度。

人类拥有了光学望远镜，也拥有了射电望远镜，这些属于地面望远镜，可是人类为何还要向太空发射望远镜呢？

大气之外

地球因有大气层存在，所以温暖舒适且适宜居住，各种生物能够免遭流星体以及地外辐射的袭击，然而，大气层对于天文观测而言，却构成了阻碍。

地面观测受影响最大的是大气的消光作用，大气存在吸收和散射作用，天体的辐射穿越大气层后强度会降低，大气消光量与辐射波长有关，其对短波辐射的消光作用比对长波辐射的大，这种情况被称为选择消光。

因为存在大气消光现象，所以只有某些波段的辐射能够穿透大气层，或者部分穿透大气层后到达地面，最终被望远镜捕捉到，而这些波段所处的范围就被称作大气窗口。

大气窗口又包括光学窗口、红外窗口和射电窗口。

300至700纳米的波段属于可见光波段，这个波段是光学窗口，光学望远镜能够借助这个窗口观测到天体，这些天体色彩各异 。

红外窗口的情况较为复杂，大气在17至22微米这个区间是半透明窗口，在22微米至1毫米之间则完全不透明，不过在高山上能够找到后者的一些红外窗口。

地球大气对于10兆赫至300京赫的射电波是透明或者部分透明的，这被称作射电窗口，射电望远镜的发明弥补了此前光学望远镜的观测范围 。

有些波段辐射在到达地面之前，会被大气全部吸收掉，地面根本观测不到，例如紫外辐射，还有X射线以及伽马射线这些短波段辐射。

此外，大气会产生模糊效应，这种效应会让再好的大型望远镜的分辨率都难以接近光学上的衍射极限 ，若把同样的大型望远镜放置在处于真空环境的太空 ，其分辨率能提高10倍 。

人类想要摆脱大气层对天文观测造成的影响，于是一方面想办法挑选海拔高且观测条件好的地方来建立天文台，另一方面开始设想将天文望远镜送上太空 。

1923年，德国科学家赫尔曼·奥伯斯发表了一篇文章，文章中提到能够用火箭把望远镜送入太空，这是人类最早提出的将天文望远镜带出地球的构想。

1946年，美国天体物理学家莱曼·斯皮策发表了论文《在地球之外的天文观测优势》，该论文介绍了太空望远镜的科学价值。在斯皮策不断努力下，1969年，大型太空望远镜项目获得美国国家科学院批准，人类真正开启了实施太空望远镜计划的进程。

不过，研制大型太空望远镜所需的人力物力，一个国家根本无法包揽。1975年，欧洲空间局带着资金与技术参与进来。1977年，美国国会最终批准了对太空望远镜项目的资助。

20世纪80年代，美国国家航空航天局着手制定一系列空间天文项目，其中有“大天文台”计划，该计划要发射4台大型太空望远镜，这些望远镜在不同波段工作，且分别用4位美国科学家的名字命名，这4位科学家是哈勃、康普顿、钱德拉、斯皮策，这么做是为了纪念他们的卓越贡献。

1990年4月，“发现号”航天飞机成功将哈勃空间望远镜送入太空，该卫星重约11.5吨，望远镜口径为2.4米，造价达21亿美元。

哈勃空间望远镜。

在30多年的工作里，哈勃望远镜历经5次宇航员的维修，不断更新尖端科学仪器，获得大量极具价值的发现，观测到100多亿光年远的星系，证实星系中央存在超大质量黑洞，拍摄到星系并合图像，发现比太阳亮1000万倍的恒星，大大增进了人类对宇宙大小和年龄的认识，还发现了暗物质。

2021年6月13日，哈勃望远镜停止运行，原因是其有效载荷计算机出现故障，直到7月17日，它才全面恢复运行。

1991年4月，康普顿伽马射线太空望远镜被送入绕地轨道，它重约16吨，造价7.6亿美元，该望远镜把对天体伽马射线的探测范围扩大了300倍，其主要任务是进行伽马射线波段上的首次巡天观测，在轨9年，它让人类首次了解黑洞如何引发X射线和伽马射线的喷发，还观测到银河系中心出现的反物质粒子云 。

1999年底的时候，康普顿伽马射线太空望远镜上的一个姿控定位陀螺仪出现了故障，并且没办法及时修好。为了避免失控后的卫星掉进人口密集的区域，NASA在2000年9月4日对它进行了人工坠毁。

1999年7月，钱德拉X射线太空望远镜进入太空，此次行动耗资15亿美元。它以更高的精度绘制了全天X射线源图，它以更高的灵敏度绘制了全天X射线源图，它在各类天体的X射线观测上取得了前所未有的重要成果。

2003年8月，斯皮策太空望远镜成功发射，它是4台大型太空望远镜中的最后一台，造价8亿美元，采用日心轨道，能在极低温条件下工作，可彻底避开来自地球的红外辐射干扰，有利于探测极年轻天体。此后，它相继观测到第一代恒星，这些恒星在宇宙大爆炸之后1亿年就已形成，它还捕捉到太阳系外行星的首幅图像，拍摄到超新星遗迹以及银河系中心区的密集星场等。2020年1月30日，斯皮策太空望远镜退役。

这4台大型太空望远镜被称作“四大天王”，它们以前所未有的程度拓展了人类视野，推动了多波段天文学的发展。

回到宇宙起点

詹姆斯·韦伯空间望远镜项目于1996年启动，该项目起初被称作“下一代空间望远镜（Next Space ，NGST）”，在2002年改成了现名JWST，这么做是为了纪念美国国家航空航天局的第二任局长詹姆斯·韦伯（James Webb），因其在阿波罗计划里发挥了关键性领导作用 。

韦伯望远镜。

韦伯望远镜汲取了哈勃空间望远镜与斯皮策太空望远镜的长处，项目刚开始时其预算仅有5亿美元，原本计划在2007年发射进入太空。然而在2005年，设计方案出现了较大变动，发射时间也不得不推迟。此后，韦伯望远镜的发射时间多次延期，先是从2014年改为2018年，接着又变成2019年，随后又延期到2020年，正因如此它才被戏称为“鸽王” 。

终于，在北京时间2021年12月25日20时20分，这台大型天文望远镜发射升空，它由NASA、ESA（欧洲航天局）和CSA（加拿大航天局）共同研发，是数千名科学家与工程师精心设计与建造的，在法属圭亚那库鲁航天发射中心使用阿里安-5大型运载火箭发射，一个月后顺利进入围绕日地系统第二拉格朗日点的运行轨道。

回顾25年的建造历程，韦伯望远镜总造价达100亿美元，它是人类有史以来建造的造价高昂的科学平台之一，它还是迄今为止尺寸最大、构造最复杂且功能最强大的太空望远镜。

韦伯望远镜是一台光学望远镜，其主镜是一面镀金铍质反射镜，直径达6.5米，由18片巨大六边形镜片构成，总面积为25.4平方米，是哈勃望远镜的6倍以上，这是它最主要的部件 。

与主镜面配合的是一个巨大遮阳板，它由十分复杂的复合材料制成，看上去像银色塑料薄膜，厚度仅为人类头发直径，却强度很高。遮阳板共5层，完全展开后有一个网球场那么大，能把来自太阳的热量减少到原来的百万分之一，可保证韦伯望远镜始终处于低温环境中 。

韦伯望远镜镜面直径超过了火箭最大直径，发射时，它的18块六角形小镜片被折叠，遮阳板也被折叠，进入太空轨道时，小镜片和遮阳板会按照指令逐一展开 。

除此之外，韦伯望远镜要携带其他多种制冷设备，用来防止自身产生热辐射，进而保障照相机能在低温环境下工作，通常情况下，镜面温度需保持在零下220摄氏度左右。

相较于哈勃，韦伯望远镜的波长覆盖更长，灵敏度大幅提高，分辨率也大幅提高，它更擅长观测红外线，能补充哈勃望远镜的发现，还能扩展哈勃望远镜的发现。不过，与哈勃不同，韦伯望远镜距离地球约150万千米，所以它没有机会再进行维修 。

2020年底时，韦伯望远镜尚未升空，当时已有44个国家的科学家提交了1000多份申请，这些申请占据了韦伯望远镜一年工作量的三分之二，不过，这些申请需经过严格审核方可获批。

当地时间2022年7月11日，美国国家航空航天局提前公布了照片，那是韦伯望远镜拍摄的，且是首张全彩色照片。

韦伯的第一个深场是星系团SMACS 0723，这个星系团里布满了数千个星系，其中包括在红外线中能观测到的最微弱的物体，图源：NASA

这张全彩色照片里，有有史以来人们在红外波段观测到的最暗天体，还有成千上万的星系团。主角是天文编号为SMACS 0723的星系团，它距离地球46亿光年。这个星系团的总质量如同引力透镜，放大了其后方远得多的星系。这张照片捕捉到的最早星光，是在宇宙大爆炸发生仅过去5亿年时发出的。

目前，人类所了解的宇宙历史大概是138亿年，这表明，韦伯望远镜的首张照片，差不多捕捉到了源自宇宙起始点的光线。

韦伯望远镜运行时间至少长达10年，它肩负着多项任务，包括研究宇宙大爆炸之后第一代恒星的形成与演化，研究星系的形成与演化，研究恒星与行星系统的形成，以及研究系外行星等。相信在未来，它还会给我们带来更大惊喜。

我国将在2023年发射“巡天”号光学舱，它与空间站共轨伴飞，被誉为中国版的哈勃空间望远镜，据相关报道，“巡天”号光学舱安装有口径达2米的光学望远镜，分辨率与哈勃相当，大约0.15角秒，但其视场是哈勃的300多倍，这意味着它的巡天效率更高，不过，其探测的波段主要为可见光。

中国科学院国家天文台研究员戴昱称，中国天文望远镜的探测范围主要聚焦于光学、射电以及X射线这三个波段，当下并无建造红外太空望远镜的规划，在红外天文领域，中国于仪器研发的人才储备方面、红外探测器的精度方面等和国外存在着不小的差距。

已故的中国天文学家是FAST负责人南仁东，他曾说，人类之所以能从低等生命脱颖而出，演化成现在的样子并出现文明，是因为人类有一种对未知探索的精神。

人类不舍得停止对太空的探索，这推动了望远镜技术持续进步，望远镜发展后又进一步拓宽了人类的视野，这种探索永不止步 。

参考资料：