探索宇宙起源:百亿美金“鸽王”韦伯的背后故事

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· 1月28日

20年打造,万人参与,项目存活率仅为十分之一,升空的韦伯即将拓宽人类视野。

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探索宇宙起源:百亿美金“鸽王”韦伯的背后故事

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文丨硅谷101(ID:svstyle),采访丨泓君,文字丨李宛宸, 编辑丨胡少阳

1 月 25 日凌晨,经历了一个月的太空航行后,人类历史上最大最昂贵的太空望远镜——詹姆斯韦伯 ,终于抵达距离地球 150 万公里拉格兰日 L2 点,即将展开科研工作。

图|JWST到达最终轨道 图源:美国宇航局GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

如果这个计划成功,韦伯太空望远镜将探测宇宙第一代天体的信号,研究在宇宙不同时期,星系的各种特性及演化学上的关系。解开许多关于太空的谜团,甚至为我们揭秘宇宙的起源。

这台太空望远镜是人类有史以来最庞大的天文学项目:造价高达 100 亿美元,历经 20 多年研发,全球 14 国家合作。可以说很多人的整个职业生涯,都在建造韦伯太空望远镜。

太阳帆被撕裂,真空实验时螺丝消失,韦伯望远镜的研发历程,充满不确定性,还因多次延期差点在 2011 年被国会砍掉。

美国宇航局称,从发射到它真正开始工作的六个月期间,它还要面临 344 次单点失败的可能性。纽约时报在发射时,甚至开玩笑说:“韦伯发射前,天文学家们的早餐在吃什么?答案是他们的手指甲。”

对极限的挑战,也会伴随着意想不到的收获,一项新制冷技术,在韦伯太空望远镜的研发过程中被发明,只要韦伯能正常的通过太阳风接收电能,理想状况下工作寿命能达到 10 年。而且根据最近 NASA 估计,它很有可能可以超常服役 20 年。

本期《硅谷101》主播泓君,与客座主播哈佛-史密森天体物理中心博士后龙凤,对话美国亚利桑那大学天文学与天体物理学博士、詹姆斯韦伯科学团队成员吕建伟,一起聊聊外天文望远镜的历史传承,以及詹姆斯韦伯太空望远镜将面临的挑战。

(关于星链是否影响韦伯工作,请见我们上一期报道《锁死地面天文观测,马斯克的星链为何被天文学者深恶痛绝?》)

01 詹姆斯韦伯:更大,更贵,更强的太空望远镜

《硅谷101》建伟现在属于詹姆斯韦伯团队的一员,你可不可以跟大家介绍下你参与了哪些方面的工作?

吕建伟:我目前是在亚利桑那大学天文系的詹姆斯韦伯科学项目组里,从事博士后阶段的研究。

平时我的研究方向是——通过红外波段,研究宇宙中超大质量黑洞和各种星系的特征。我自己也参与了若干詹姆斯韦伯的观测项目。观测目标从我们所在银河系中心的黑洞,一直拓展到宇宙中最遥远的类星体。所以宇宙不同年龄的各种天体我们都会进行一些系统的研究。

最近在做一些詹姆斯韦伯正式观测前的准备,包括数据模拟、工具开发以及背景科学的研究等。詹姆斯韦伯是人类有史以来最庞大的天文学项目,耗资超过了 100 亿美元。

图|詹姆斯韦伯太空望远镜 图源:NASA

韦伯的口径大概有 6.5 米,镜面由 18 块小镜子拼接而。它是一个红外波段的望远镜。去年圣诞节刚刚被发射,目前正在前往最终目的地——拉格朗日 L2 点。这个点距离地球大概 150 万公里,比月亮还远 3 倍左右。

《硅谷101》:为什么它上太空会有如此重大的意义?它上去了以后可以解决什么问题呢?

吕建伟:首先,它比之前所有的空间太空望远镜都要大很多。此外,它工作的红外波段,特别适合一些关于宇宙起源和生命起源方面的科学研究。

按照 NASA 的讲法有四大科学目标。

  • 第一个目标是探测宇宙第一代天体的信号。在宇宙大爆炸刚结束时,第一代恒星、星系以及活跃黑洞的信号。

  • 第二个目标是限制星系的诞生和演化。主要是研究在宇宙不同时期,星系的各种特性及演化学上的关系。

  • 第三个目标是探索一些恒星,以及周围原始星系盘的诞生。这也是之前太空望远镜观测不了或者说限制不够强的一个领域。

  • 最后一个是望远镜也可以对太阳系内的行星进行观测,包括木星、土星、天王星、海王星等。同时它还可以观测太阳系外周围恒星的行星。在银河系中有很多恒星,在恒星周围也会有类似太阳系这类的系统。

科学家对这些太阳系外行星系系统里面,行星的各种特性非常感兴趣。大家会想那里的行星上会不会有什么大气,或者生命。这是非常令人兴奋的话题。

龙凤:这方面也是我工作的重点。我工作的方向大概就是去探究,为什么不同种类的行星系统可以形成,以及为什么它们跟我们太阳系不一样。詹姆斯韦伯在这方面会做出很瞩目的成果。

我想问一下建伟,可以给大家介绍一下红外天文学在过去几十年的发展吗?为什让它上天,会有这么突出的效果?为什么我们地面望远镜或者其它手段不能实现?

吕建伟:红外天文学的发展是一个非常庞大的话题,大概有几个世纪的历史,我只能从最简单的内容开始讲。

为什么要把红外望远镜放到太空中,而不是造好放在地球上?这是因为从地球上直接观测红外线特别难。地球大气层本身就有辐射很强的红外辐射线。地面上无论白天黑夜,天空一直很亮。红外波端保持很亮的状态,就很难甄别出微弱的天体信号。

这个不取决于有没有太阳,本身大气一直在辐射。你在白天晚上看天空,如果在红外波段的话,就一直就亮得跟白天似的。在这种环境下去搜索遥远天体的红外信号,就非常困难。因此不能在地面上做这件事情。

龙凤:我想用哈勃类比一下。哈勃是放在近地的轨道,韦伯这次放在 L2 ,会离哈勃的轨道会远很多。地球大气的红外辐射,是导致我们要把韦伯望远镜放那么远的主要原因吗?

吕建伟:是的。詹姆斯韦伯在红外波段需要非常灵敏,所以要一个非常冷的环境。它最终要到达的运行点,拉格朗日 L2 的环境温度是零下 223 度,周围的物质也非常稀薄,所以本身在周围环境里红外辐射就非常低了。

詹姆斯韦伯所需要的科学观测条件,只是把望远镜放在那里也不够。地球大气有红外辐射,在红外波端能看到一个很亮的地球和太阳。

所以詹姆斯韦伯做了一个非常大的太阳能遮阳板。它既是一个太阳能电池,也是遮阳板,有五层。遮阳板的存在,保证望远镜及其所有的仪器,永远不会被太阳或地球照射到。

图|网球场大的太阳能遮阳板  图源:NASA/Chris Gunn

它背对着太阳被遮阳板挡住的那一面的温度非常低。它的温度只有零下 234 摄氏度左右,大概是绝对零度以上 40 度。它当中有一个叫 MIRI 的仪器,工作温度低至 7k 即零下 266 摄氏度。团队用了很先进的技术来保证,它能一直在这种低温下保持正常工作。

跟哈勃太空望远镜相比,因为哈勃主要在紫外到近红外波段工作,所以它对温度或者说地球大气,及周围天体的红外辐射不是很敏感。它在近地轨道也可以进行一些正常的运行。

但如果你想工作到更长的波段,詹姆斯韦伯的波长要比哈勃长很多。哈勃最长波长是 2.5 微米,但詹姆斯韦伯的最长波长是 28 微米,超过了 10 倍,所以它被放在离地球相当遥远的地方。

图|哈勃与韦伯波段差异 图源:NASA and J. Olmstead

《硅谷101》:我简单总结一下,我们之所以要把望远镜放到太空里,是为了避免地球上红外波段的干扰。哈勃望远镜的观测范围可以说是可见光加上一些红外波段的不可见光。但詹姆斯韦博的观测范围含全红外波段。

吕建伟:对,可以这么说。它光学也有一点可以拍摄,但不是主要功能。

《硅谷101》:哈勃望远镜对天文学有过很多重要的贡献。可不可以简单介绍一下,它对天文学的重要贡献是什么?为什么把望远镜放到太空中,会让那么多科学家都非常激动?它到底可以做些什么?

吕建伟:哈勃太空望远镜做出了非常多的科学发现,很难挑出一个大家公认一致的最重要的贡献。但是我个人觉得最知名的是「哈勃极深场」的这个天区。哈勃在它运行近 30 年的时间内,在天空中一个特定的位置进行了反复多次、多波段的观测,达到了 22 天的曝光时间。即望远镜在那个点一动不动盯了 22 天,收集该方向上宇宙遥远的星光信号。

图|哈勃极深场 图源:NASA

它在那个很小的区域,发现了一万多颗遥远的星系。大家公认宇宙现在的年龄是 138 亿年。而哈勃通过极深场看到了在宇宙年龄 5 到 6 亿年间的星系信号。这算是目前为止人类看到过最遥远的宇宙的星光信号。这是人类目前的极限。

哈勃它相对较小,且工作波段偏蓝,而不是特别在红外波长长的地方。所以他对最早期的这种星系的限制比较少,只是能模糊看到一些斑点,并不清楚具体性质。

《硅谷101》:我们可不可以这样理解,如果想要探索宇宙起源,用哈勃望远镜相当于看到了宇宙在恒星、行星形成的幼年时期的照片;但是用詹姆斯韦伯,可以看到更早的婴儿时期的照片。

吕建伟:对,哈勃目前探测的极限是宇宙年龄为 5 到 6 亿年的星系,詹姆斯韦伯大致能看到宇宙年龄在 1 到 2 亿年时星系,或者别的恒星的信号。这个宇宙时期到底存不存在星系或者恒星?如果存在它们的性质是什么?大家都不知道。很多猜测都需要我们用詹姆斯韦伯观测。

《硅谷101》:照片拍回来后可能就是龙凤主要去研究的东西了。相当于建伟在前面造望远镜,龙凤期待望远镜传回的照片帮助拓展研究。

龙凤:可能我们俩都会用到照片来做科学研究。对于我自己的研究方向,哈勃也做了很多电子性的工作。我的方向大致是研究行星怎么形成。

太阳系里几大行星几乎在同一个平面上围绕着太阳运动。我们可以假想行星形成的过程在一个很薄的盘形平面完成。这个假想通过哈勃在 20 年前传回的照片得到证实。它帮助我们了解到这种结构非常广泛存在,所以星系形成的过程到处都有。借此我们发现了那么多系外行星。

韦伯会在此基础上对这些盘形结构做更细致的分析,对已知的行星的大气做很多,细致的结构成分的分析,探究有没有跟生命相关的分子存在。

《硅谷101》:我之前看过一个科普纪录片。他提出要研究人的一生,并不是从人的婴儿到儿童到老年的时间维度去研究。宇宙它的年龄太大,如果拍到一个足够大的照片含有足够的样本,我们可以同时研究它的多个年龄期,看这个行星是怎么进化的。

龙凤:对,所以需要我们的设备足够强大,集光能力足够好,才能看到更遥远的地方。那是它更早期的时候,有更大的样本可以全天候,在不同的波段同时观测,保证足够的样本做统计性分析。

《硅谷101》:可以拍到更多更大的样本。

龙凤:对,以及更细节的信息,它口径比哈勃大得多。

吕建伟:我补充下,关于早期的恒星或者恒星周围的星系盘的形成, 詹姆斯韦伯有一个很大的优点。它的观测波长较长,所以能看到更冷的、周围尘埃很多的一些系统。这个对应了非常早期的恒星或者周围的星系盘形成的时间。

02 创新制冷技术或让韦伯超长工作

《硅谷101》:其实在詹姆斯韦伯之前还有一个红外空间望远镜 Spitzer。它跟詹姆斯韦伯的波段比较相近,技术上也有很多的继承。

图|Spitzer 图源:NASA

你可不可以跟大家讲一下 Spitzer 是什么?詹姆斯韦伯在技术上继承了 Spitzer 什么?

吕建伟:Spitzer 跟我们学校很有缘,我校红外线小组两位夫妻天文学家,在 Spitzer 时代也是负责他的关键仪器的人物。很多人说詹姆斯韦伯是哈勃的继承者,但其实也可以说它也是 Spitzer 的继承者。

Spitzer 除了工作波段和詹姆斯韦伯比较接近,在历史上的起伏也很相似。詹姆斯韦伯从上个世纪 90 年代初开始构思,97 年左右开始设计制造,到今天他大概花了不到 25 年。而Spitzer 望远镜是在 80 年代初开始构思,经过了20 年左右才成功发射。中间他们遇到了很多很多的技术困难,包括 NASA 的经费不足,或者发生事故等。

美国的「挑战者号」航天飞机在 1986 年时还没进入轨道就爆炸了。之后哈勃在 1991 年也出了问题,它被发现镜面与设计时不一致,存在「近视」问题。一连串的事故,使美国重新对太空项目审核。Spitzer 和詹姆斯韦伯都差点因为经费超预算等问题被砍掉,幸好有小部分科学家的坚持才能最终发射。

关于两者间的关系,Spitzer 望远镜比詹姆斯韦伯要小得多。它的口径只有詹姆斯韦伯不到 1/8 。它革命性的技术在于「被动制冷」。

所有的物体都会有红外的辐射,包括地球上大气、望远镜的本身(镜面、探测器、电子线路)等。需要降低整个系统的温度,以求更好的红外探测进化。在 Spitzer 之前,普遍做法是把整个望远镜装在一个由液氮包围的大缸子里,再通过火箭把它扔上天,运载的燃料大都去推动大缸子了。因为 90 年代 Spitzer 望远镜有被砍掉的风险,所以大家就精益求精想办法提高质量并降低成本。

有一天我们学校的一个天文学家,想到了一个方法。我们可以把望远镜扔到太空中,利用环境进行自动制冷,而不是把整个望远镜都装在液氮里。人们只需要在设计的材料上利用一些散热系数较高的物质,再把探测器周围的电子线路等,包裹在更小的液氮罐子里。如此,整体发射成本降低很多,且望远镜也可以造得更大,这是一个技术创新。

然后这个技术完全应用到詹姆斯韦伯上,同时,詹姆斯韦伯又在这方面提出了一个新技术。

之前大家上天需要带液氮,并利用它的升华带走周围物质的热能,这是消耗品。所以之前的红外望远镜它要制冷的话,只能在两年或者五年的时间里消耗完携带的液氮,并且之后在红外波段就没有那么灵敏了。

而詹姆斯韦伯发明了一个制冷的技术,类似一个超小型的电冰箱。它提供电能,把里面的制冷物质压缩,再导到设备里升华吸热。这是一个循环系统,原则上不会消耗任何制冷剂。只要詹姆斯韦伯能正常的通过太阳风接收电能,给「电冰箱」提供电力,望远镜就可以一直在红外波端进行工作。

《硅谷101》:詹姆斯韦伯望远镜可以工作多久呢?

吕建伟:按原先设计,这个望远镜最低指标是工作 5 年,理想状况下能达到 10 年。但最近根据 NASA 估计,它可以工作 20 年。最限制它运行时间的是,随身携带的燃料能够用多久。它到达拉格朗日 L2 点时,并不是完全不动的。它会受到太阳风的照射、微小天体的撞击,所以姿态需要调整。它需要使用燃料、推进剂来调整姿态,但能携带的这种燃料是有限的。

之所以现在预计可以运行 20 年,是因为它发射时轨道精准,前往 L2 点时修正顺滑,都没有消耗多余燃料,所以基本上携带的所有的燃料都可以在正式运行时使用,可运行的时间就变长了。

龙凤:所以说现在限制它寿命的主要因素是燃料而不是制冷剂。而像 Spitzer 它制冷剂用光了之后,在中红外波段就不能再很好地工作了。

《硅谷101》:詹姆斯韦伯这一次发射听起来还是非常成功。你刚提到他在运动过程中,会遇到一些微陨石的撞击。

黑陨石的撞击会对这个望远镜的影响大吗?如果它的遮阳板被陨石撞击碎了会有很严重的后果吗?

吕建伟:这方面其实在设计时就考虑到了。遮阳板被用非常坚韧的材料制造,要求它能扛住微陨石。微陨石尺度其实只有几微米,与它的观测波长差不多,像一些微小的尘埃撞在上面。原则不用担心这方面的事情。

03 挑战重重,鸽王韦伯差点被砍

《硅谷101》:它现在算是已经脱离了星链的轨道到了一个比较安全的区域吗?它的进程大概如何?

吕建伟:今天早些时候已经只剩下了不到 13% 的路程(已于美东时间1月24日下午2点抵达目的地)。按照它现在运行的速度,应该 10 天内就可以到达预定位置了。这个距离已经离地球和月亮都非常远了,所以不用担心地球人造天体对它的影响。

图|轨迹图 图源:Steve Sabia/美国宇航局戈达德

《硅谷101》:它现在整个运行情况和遮阳罩的打开都还算顺利吗?

吕建伟:挺顺利的。之前项目的科学家总结了 344 个「失败单点」。如果 344 个步骤中有一个步骤出错就会失败。现在通过不断努力,只剩下不到 50 个失败单点了。这是很振奋人心的。

等它到达预定位置之后,为保障它能按正常指标运行,要开展为期 5 个月左右的设备调试与观测测试。如果一切顺利,预计今年六七月份就可以正式进行科学观测。

《硅谷101》:大概还要五个月的时间才可以回传照片。

吕建伟:在这之前他会回传数据给少数的天文学家,以便校准仪器,但不会公开。它在正式开始观测前,可能会拍一些非常漂亮的照片出来,以便证明望远镜工作正常。

《硅谷101》:哈勃望远镜放上太空传回来第一张照片时,人们才发现这个照片是糊的,他的镜片度数出了问题,近视了。三年之后,美国的宇航局才派出宇航员对哈勃进行了修复。这应该是第一次有人在太空中对望远镜去做镜片修复。

我们做一个假设,如果在韦伯回传照片的时候,发现了故障,是不是它很难再去修复了呢?

吕建伟:是的。一方面是因为它离地球实在太远,要发射任何载人飞船都很蛮挑战。另外一方面, 詹姆斯韦伯本身的设计,就几乎没有办法进行维护。可以说设计者本身没有打算做维护。

哈勃相对于詹姆斯韦伯是较小的,主径只有 2.4 米。如果发射一个航天飞机,可以用飞机的臂把它抓取进来,让宇航员直接修理。因为哈勃小所以好固定,但韦伯比较大,所以即使发射了飞船,也很难把它固定住进行维修。电影《地心引力》有一段就是宇航员对接失控后天旋地转。

图|哈勃与韦伯大小对比 图源:NASA

另外一个是詹姆斯韦伯望远镜镜面达 6.5 米,非常大。它是拼接组成,镜面伸展开之后无法再合上了,只能保持那么大。所以你没有办法,也很难做出很好位置的固定。但是,实际上詹姆斯韦博望远镜的某一个部位,还是预留好了对接窗口。

龙凤:期待着某一天,我们的能力可以达到。

吕建伟:可能现在的技术和修理能力还没有达到,但在未来也许是有机会的。可能在燃料要耗尽的时候,可以发射一个太空飞船过去,让机器人给它加燃料。

龙凤:我很好奇接下来这 50 个可能会出现问题的地方,有哪几个是最容易或者最致命的问题?

吕建伟:我不知道这份清单是否被公布出来了。但是我个人觉得出现问题的可能性,包括仪器自身的制冷问题,或者电子线路故障等。但清单里会包含概率极低的事件,所以原则上应该不会出大的问题。

《硅谷101》:还有一个背景是詹姆斯韦伯宣称要发射,已经 20 年左右了,大家一直翘首以盼待。对你们而言,今年圣诞节把詹姆斯韦伯发上天是意料之中的事吗?

图|詹姆斯韦伯经费与时间变迁图  图源:《自然》杂志

龙凤:很出乎意料,已经做好它会继续延迟的准备了,那一刻,只希望他不要在最后一刻放鸽子。

吕建伟:其实韦伯跟历史上的太空望远镜项目做比较,延期也不是非常久。各种工程上的事情,尤其涉及到高技术时,具体花多少时间是有很多不确定性的。

包括像詹姆斯韦伯望远镜,它有一个关键设备在提出时,被认为是可实现的。但后来发现有电子控制与材料强度方面的问题。它反复进行动作的有效次数,就不会特别高,会让材料产生劳损。这些是项目规划时难以想到的。技术上的不成熟和研发时间没有办法很好的规划,是一个重要的原因。

同时这种项目随着时间推移,管理就会变得比较复杂。韦伯项目足够大,牵扯的单位比较多,人一多就容易出各种各样的问题。

另外一方面就是,由于管理方面人为的失误。比如詹姆斯韦伯在南美发射场做测试时,有一次一个固定望远镜的配件脱落了,原因不明。

这种事情在韦伯的测试和维护过程中其实蛮多。比如有一次在望远镜做震动测试时,突然发现一个探测器的指数不正常。它做震动测试前需要把环境抽真空来模拟太空的环境。那次有几个螺丝莫名其妙没了,可能是抽真空的时候被抽风机带走了。

他们五层的太阳帆,在做展开的时候被撕裂了,团队不得不重新做一份。

甚至望远镜在发射前几个月,运载火箭的推进器和舰载载荷,因为沟通系统问题被送到欧洲。之后他们只好让厂家给他们重新做了一个运过来。这件事也导致望远镜推迟了一阵。大型项目常见就是容易出小纰漏。

除了人为的因素,还有第三类因素——纯粹的自然因素。因为詹姆斯韦伯制造时间足够长,他经历的自然灾难也很多。比如如地震、洪水、海啸,包括一些山火和最近的新冠等,都导致它在各种不太合适的时间有一些拖延。

这对于这种空间项目蛮常见的,往往需要 10 年、20 年甚至 30 年的时间,才能够看到它真正的成功,很多空间项目的存活率只有十分之一。

比如 90 年代时,美国本来要造一个大型粒子对撞机。造到一半,突然国会觉得过于耗钱且管理上出了纰漏,就给砍掉了。

同样因为拖得太久、预算长得太快、管理有问题等原因,詹姆斯韦伯差点在 2011 年被国会砍掉,通过不懈的努力最终才得以成功发射。

《硅谷101》:我觉得真的非常不容易。詹姆斯韦博还是一个跨国合作的项目,多国合作和政治博弈,还要求所有人都非常的严谨,听下来蛮伟大。

吕建伟:根据 NASA 统计,詹姆斯韦伯项目前后,参与人数应该超过了一万人,参与国超过 14 国。

04 人人有机会申请观测

《硅谷101》:如果之后韦伯开始工作了,未来的观测时间会怎么安排呢?大家是不是都可以申请用这个望远镜呢?

吕建伟:对,所有人都可以申请,甚至不做天文都可以申请,如果你的申请可以够好。一年前做的观测申请通告,已经接收到了世界约 30 个国家提出的观测申请了。这对全世界科学家都开放。

另外一个好事是,天文学各种项目,无论空间还是地面的,往往它在一段时间之后就会完全公开,不会有人把数据自己藏着掖着。这些都可以在网上下载,甚至很多天文爱好者,下载后处理的照片比天文学家更漂亮。

图|哈勃望远镜拍到星帆  图源:ESA/Hubble & NASA

龙凤:韦伯望远镜保密时间点是一年吗?是和我们地面望远镜相同的时间?

吕建伟:对,大部分项目是保留一年,但极个别的项目,是观要求数据能立刻公开。

龙凤:这一年是作为项目的 PI(Principal Investigator 项目负责人) 可以提望远镜的科研提案,数据采集一年之后这段时间是由项目组独有的,可以用它来发表科研结果。数据在一年之后就会公开,所有的人都可以拿到了。

不同的项目,其实大部分时间还是会给参与国的科学家。对于韦伯来说,他们有百分之多少的比例可以作为开放时间 ,给所有国家的人申请。比如说我之后回了中国,申请成功的比率会比在美国低多少?

吕建伟:他们现在的审稿是完全匿名的,但根据第一轮观测申请审核的结果看,一些完全没有参与到詹姆斯韦伯项目里的国家是有时间的。

《硅谷101》:你们学校拿到了多少观测时间?

吕建伟:我们学校除了红外天文学的组,还有别的一些天文学家和研究组。整个詹姆斯韦伯在第一年运行的 13% 的观测时间,是分配给我们学校的天文学工作者。目前全世界拿到时间最多的单位就是我们学校。

《硅谷101》:你们学校拿到的 13% 观测时间,是优先获得的,还是和大家公开申请时,一起排序获得的?

吕建伟:这是两个类型。我们学校的红外天文组,分配到的几百个小时的时间里,只要写一个简单的科学计划。对他们的审核是非常宽松的,限制很少。

还有一大部分是比较一般的普通申请。这种需要提前写一个观测的计划,详细说明目的、价值、技术手段、设计细节等。这和很多人同台竞技,有一个很强的选择。

《硅谷101》:你们俩现在有提交计划吗?

龙凤:我个人没有,但上一次公开申请参与的三个项目,都拿到了时间。我也计划从今年开始试一试。

吕建伟:我自己做 PI 的没中,但参与到的几个都中了,包括有一个我写了半个的。

龙凤:观测这方面,普通的一些观测望远镜设备,我们都有分为普通的体验和大项目体验,大项目的时间需要超过某一个标准。比如我经常工作的一个设备,如果所要的时间超过 100 个小时,那么就会成为一个大项目。我想知道韦伯有没有这样的区分?什么样的项目会成为大项目?

吕建伟:它确实有区分。观测总时间超过 60 个小时应该就算是大项目了。大项目审核的过程会比小的项目难一些。你要在一个项目花很长的时间,会有更多的人会参与到审核过程中,保证科学实现的可能性。它的设计是合理的,结果是重要的。

龙凤:但大项目可能会对某个领域起非常大的推进作用,这也是为什么它需要花那么多时间,来完成这个科学目标。

05 天文学家眼里,外星人100%存在

《硅谷101》:我很想问一个很多人心中普遍的疑问,你们相信宇宙中有外星人吗?我知道在天文学的圈子里,关于这个问题有很多不同说法,我想知道你们个人对这个问题的看法是什么?

龙凤:我相信他们的存在。宇宙浩渺无穷,我们已经找到了 5000 多颗系外行星。我们正在积极搜寻,他们的大气长什么样子,能否维持生命的存在。这几千颗行星,是在过去十年内很短的时间内发现的。如果我们的设备、观测手段不断提升,我们会发现更多。如果你的样本足够大,总有那么一两个也许能够支持生命,那可能就会能够孕育给我们相同或不同的生命体存在。

吕建伟:我认为外星人一定存在,我可以 100% 这么说。我们现在对于科学的理解,包括知道物质是由一些基本元素组成的、万有引力等都是一回事。比如地球上运行的轨道按照牛顿力学的做法、加上引力相对论的修正,就可以预期天体的运行。

有一个天文学的理念叫哥白尼原理。他提出——宇宙中各处基本都是一样的。无论地球、太阳系甚至是银河系本身在宇宙中都没有什么奇特之处,它们只是宇宙中随机的一个点。宇宙的基本构成,包括物理规律,基本上在天空中没什么太大差别。

所以生命的起源其实就是非常自然的物质演化的结果,没有任何神性的东西在里面。这就是一个自然的产物。

当你的天体的环境、温度、元素成分、主要的恒星之间的距离所处位置等一定条件时,生命的诞生就是一个自然而然的过程。就像我们知道行星诞生在恒星周围,恒星诞生于星系中,就只是复杂程度和物理尺度不一样。但是只要物理规律一样,就没有任何理由说全宇宙只有地球有生命。

《硅谷101》:两位的观点基本上是一致认为有外星人。那地球收不到关于外星人的信号呢?

吕建伟:你想想要探测这个外星的信号,有什么样的手段?可能会说造望远镜或者做电波接收器,因为觉得外星人可能会发一些信号给地球人,这是大家想到的交流方式。

但我们发明天文望远镜仅 400 多年的历史,射电波真正应用就是100 年的样子,对比宇宙 138 亿年的年龄,这些都非常短了。把宇宙从大爆炸诞生到我们今天的时间缩到一年的时标上,人类发明望远镜包括工业革命这几百年,就像各宇宙一年的 12 月 31 号晚上 23 点 59 分 59 秒那一秒。

图|从宇宙大爆炸开始看 各个望远镜能看多远 图源:NASA and and Ann Feild

相对于宇宙这么长的时间,人类文明产生的技术也只是一个时间的小点。如果你在这么短的时间能看到外星人,那就证明外星文明的密度非常高。

《硅谷101》:我们可不可以理解,其实我们这次把詹姆斯韦伯放上太空,它要研究的问题也是在解决宇宙有没有外星文明,宇宙的起源是什么,这些非常基本的问题。

吕建伟:NASA 负责科普部门的指导意见是,一旦大家说詹姆斯韦伯,是找外星文明的要及时进行纠正。极大概率上詹姆斯韦博,是不会直接探测到外星文明的信号的,不能让公众有错误的期待。

它跟生命起源比较有关系的事情是它可以拍一些太阳系外,即其他恒星周围、行星系系统里面行星的表面大气。之前在地面上的望远镜,探测灵敏度不够高,覆盖的波长不够长。但通过詹姆斯韦伯望远镜,有可能拍摄到一些系外行星大气的光谱。

通这个光谱你可以判断出来它的大气成分。它上面是不是含有很多的水、二氧化碳之类的?它可能能帮助挑选出一些或者一批有潜力孕育生命的行星。但是判断上面是否有文明存在?我觉得詹姆斯韦伯可能做不到。

《硅谷101》:所以他只能把这些行星找出来。

龙凤:找到最有可能的、有代表性的,然后我们看有没有办法对他们再进行更细致的研究。

 

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