从COBE到韦布望远镜，诺奖得主的脑洞孕育着天文新突破｜2022腾讯科学WE大会

2006诺贝尔物理学奖得主 John Mather，是对当代天文学影响最大的少数几人之一。从COBE（宇宙背景探测器）到最近大红大紫的JWST（詹姆斯·韦布空间望远镜），他的毕生成就和这两台伟大的空间望远镜紧紧地联系在一起。他关于空间望远镜任务的众多脑洞在我们有生之年或许并不能全部实现，但人类未来史的某个转折点可能就孕育在其中。

大爆炸宇宙学有一个重要的推论：大爆炸发生之后几十万年，将有一个时刻，原本如一锅热粥的混沌宇宙终于冷却到这样一种状态，光子能量不足以把氢原子的电子踢开，氢原子被允许形成、宇宙对光子变得「透明」，获得解脱的光子，开始自由行走于宇宙之间。

这个时刻，被称做「光子退耦」。

因此要证明大爆炸宇宙学，上世纪中叶的天文学家就需要回答：那些获得解脱的光子，哪去了？

在光子退耦时，宇宙的温度约为 3000K，对应的黑体辐射峰值波长大约 1 微米。

经过上百亿年的演化，宇宙的膨胀让这些当时仍然温热的光子冷却到不足5K，相应的，其波长也不断拉长——到现在已经拉长了上千倍，达到毫米级。

这就迈入了射电天文学的范畴。

彭齐亚斯和威尔逊这两位射电天文工程师在1964年通过极其严谨的分析，发现有一个在各方向均匀存在的、温度仅约 4K 的噪声，却不知如何解释。普林斯顿大学的一个研究小组也正好在准备寻找这个峰值位于无线电微波波段的宇宙背景辐射，双方得知对方的存在后一拍即合，从而确认了我们现在常说的「宇宙微波背景辐射」（CMB）的存在。

CMB 发现的这一年，John Mather 刚刚18岁，以新泽西州数学竞赛第7名、物理竞赛第1名的成绩，完成了高中学业。

后来在伯克利读博期间，John Mather 才开始真正上手研究CMB。他首先在海拔3800米的加州白山设置了一个小型远红外光谱仪，测量了CMB在远红外波段的辐射强度，却发现即使是这样的高海拔台址，地球大气也会对测量精度造成影响。于是他开始考虑怎么把望远镜放到天上——用高空气球。

位于加州的白山研究中心

（1957，www.wmrc.edu/history）

John Mather 开始从头接触陌生的工程学，却发现自己的脑子比手好用的多：一次实验时，气球载荷的天线在发射台上准备升空前掉了下来，就是由于他负责的焊点没有焊牢。

Mather 直到毕业前夕都没有成功完成实验，但这段经历是他开始探索如何在遥远、艰险的地方建设观测仪器的开始——这成为他后半生不变的主题。

在博士后期间，NASA 征集项目提案的一则通知重新点燃了他的斗志。用火箭把CMB观测仪器发射到太空中，就彻底不会再有大气层的干扰。他与合作伙伴共同写了一个大策划：把远红外和微波光谱仪发射到太空中，完整测量 CMB 的能谱及其在各个不同方向上的差异。这就是后来的宇宙背景探测器（Cosmic Background Explorer），简称 COBE 卫星。

COBE卫星（艺术家想象图）

Credit: NASA / COBE Science Team

COBE 卫星最终于1989年底发射升空。它的表现远远好于预期，即使现在回看，我们仍然会对其观测精度感到强烈震撼。

发射仅仅2个月后，John Mather 在美国天文学会年会上报告了 COBE 的初步结果。仅仅使用9分钟的观测数据，COBE 卫星就已经把 CMB 能谱的误差棒限制到 1%！

而到卫星服役期满，COBE 累积的数据，已经把误差棒的大小限制到比连接数据点的细线还要细，甚至需要把误差棒夸大几百倍才能在图上绘制出来。这些数据毫无疑义地确定了，宇宙微波背景辐射严格符合 2.73K 的黑体谱。这意味着在哈勃发现宇宙膨胀之后，大爆炸宇宙学终于得到了一次最严格的证明。

COBE 卫星还第一次给出了 CMB 在各个不同天区方向上的细微差异——这种差异可能来自宇宙大爆炸早期的量子涨落，并最终主宰了宇宙间大尺度结构的形成。在 COBE 卫星完成任务后13年，Mather 获得了2006年的诺贝尔物理学奖。

COBE卫星第一次测量出CMB各向异性，此后WMAP、Planck卫星又进行了更精细的测量(Nabila Aghanim)

别忘了这个诺奖成果，来自博士刚刚毕业的小青年 John Mather 在博士后期间提的一个proposal。一个人能在青年时期就瞄准最重要的问题，提出最大胆的方案，并付出二十年时间将其落地（or 将其升空），这种胆魄着实令人钦佩。

COBE 工作在100微米到10毫米波段上——从远红外到微波。这个波段的观测最怕热，必须把望远镜冷却到极低的温度，才能取得有效的科学数据。

在 COBE 发射时，已经有了成熟的解决方案：带制冷剂。这里的制冷剂，通常是温度只有4K以下的液氦。但使用液氦制冷的望远镜有一个很明显的短板：工作寿命直接取决于液氦消耗情况。当液氦耗尽，望远镜开始变暖和，就失去了科学价值。

COBE卫星携带的巨大的液氦罐

（NASA Goddard Space Flight Center）

有没有办法让红外望远镜摆脱制冷剂的限制呢？

办法是有的，那就是利用宇宙空间本身的低温。既然微波背景辐射本身只有2.73K，让望远镜向空间散热，它不就应该也能冷却到3K附近了吗？

如果不是在太阳系内，也许问题可以简化成上面这样。但既然是在地球附近的空间望远镜，就很容易受到太阳、地球、月球热辐射的加热。

一个办法是把望远镜发射到L2——距离地球150万公里的第二拉格朗日点，一个适合安放望远镜的引力平衡点。这里离地月系统足够远，而且日、地、月永远都在望远镜的同一侧，因此只要加上可靠的「遮阳篷」，就可以同时避开日、地、月的热辐射影响。这样就可以通过热辐射散热被动冷却的方式，把望远镜降温到25K左右。

第二拉格朗日点（Credit: Matthew Twombly）

由于不再需要携带巨大的液氦容器杜瓦瓶，对于相同体积的卫星来说，望远镜口径可以做到制冷剂方案的2-3倍。而更大的口径意味着更深的探测深度、更高的分辨率和更多科学发现。

这个方案在80年代末被人提出，但由于传统制冷剂方案已经有了成熟的经验和庞大的社群，纯被动制冷方案在几年的时间内都没有被接受。

制冷方案先按下不表，说说另一方面。

1993 年完成 COBE 任务之后，John Mather 把注意力转移到设计新任务概念领域——也就是本文所说的，开各种关于空间望远镜的脑洞。

他的一个同事说，当时还没发射的 Spitzer 望远镜虽然灵敏度很高，但口径较小——这意味着分辨率上不去，遥远宇宙的很多星系在画面中全都会糊成一片。

Mather 对此给出的脑洞方案是：发射可折叠的空间望远镜。先折起来发射，上天之后再展开。这样就可以充分利用有限的火箭空间，塞进去更大口径的望远镜。

Spitzer和JWST的分辨率对比

他在一次学术讨论中给 NASA 同僚们介绍了这个想法，结果招致一片嘲笑：人们说 NASA 不可能批准一个上天之后还要展开才能用的望远镜。太多的活动机构意味着更大的失败概率，而 NASA 厌恶风险——「这个想法会在动手之前就被毙了」。

但可折叠镜面的脑洞已经种在 Mather 脑海内，挥之不去。

1995 年早秋的一天，John Mather 接到一通电话，要求他于次日汇报一个下一代空间望远镜的方案。Mather 一开始有些措手不及，但他很快拿定了主意，在次日提交了只有一页纸的提案：一个可折叠的、被动冷却的、发射到 L2 的，6米口径空间红外望远镜——前面两种想法的联姻。

早期JWST方案草图

这就是后来被称为 JWST 望远镜的开端。

在 Mather 整个职业生涯下半场超过25年时间里，他作为 JWST 的高级项目科学家，持续为这台黑科技望远镜披荆斩棘、保驾护航。

某种程度上，否定折叠镜面可行性的 NASA 工程师们不无道理。过度复杂的机构极大地增加了望远镜失败的几率，而「太大不能倒」的项目为了确保万无一失，就不得不多做很多地面实验，从而在很多年间，让人们处在几乎永恒的等待中。

这台史上最复杂的空间望远镜，预计发射时间从2007年一路推迟，工程总预算也从一开始的5亿美元，一路水涨船高到近百亿美元。

对此，Mather 本人认为，原因是一开始定的预算过低，导致有些技术问题难以在少量预算下解决，反而导致了更长时间的拖延和更高的最终开支。如果一开始预算就更高些，实际上最终反而省钱。

面对美国官方对预算上涨的质询和来自天文学界内外的揶揄，这台身价百亿美金的望远镜，终于在2021年圣诞节发射升空，并准确进入轨道。今年7月以来，它不断放出刷新我们对宇宙印象的美图，为我们带来宇宙新知。

JWST对公众释放的第一批图像（NASA, ESA, CSA, and STScI）

人一旦习得开创性的思维方式，就会不断迸发出新的疯狂的点子。

John Mather 从读博时连气球都玩不转的稚嫩青年，到搞出 COBE、JWST 两架里程碑式的空间望远镜的天文学界大佬，算是把空间望远镜这个行当玩明白了。

在近半个世纪的漫长职业生涯中，他开出的狂野脑洞，远远不止这两个已经做成的项目。这里试举几例。

地基望远镜看不清，主要是地球大气扰动所致。

目前天文学家有一种可以克服地球大气扰动的方法：自适应光学。

基本原理就是实时测量出地球大气抖动对星光的影响，以每秒数十、上百次的高频，调整望远镜镜面的形状，补偿大气层抖动的影响，从而让望远镜仿佛置身太空。

如何测量大气抖动呢？有两种方法：

要么，在目标天体附近找一颗亮的参考星，测它；

要么，从地面打一束激光上去，激发高层大气中的钠层，制造一个人工星点。

但是，亮星并非到处都有，高层大气的人工星点由于实质上仍在大气层内，强行近似为无穷远来使用，也会有问题。

因此 John Mather 等人提了个脑洞，说可以把激光源用卫星发到太空中去，地基望远镜需要观测啥，卫星就飞到哪里去，朝向地面打出这束激光。

当然，卫星变轨需要消耗燃料，飞来飞去即使可行，也并不经济。更划算的是在全天布置一支庞大的激光卫星「舰队」，需要哪块亮，哪块就能亮起来。

由于近红外波段受到大气抖动影响比可见光更小，现在已实现的自适应光学设备，通常工作在近红外波段上。而一旦这支激光卫星舰队能够建成，下一代30米超大地基望远镜，将有望在可见光波段上，实现自适应光学，实现超越哈勃望远镜一个数量级的光学分辨率。

使用ORCAS后，Keck望远镜分辨率提升的模拟效果图

（ORCAS AS3 Study HQ Report）

1919年，爱丁顿通过观测日全食时背景恒星的位置，验证了刚刚提出不久的广义相对论。

当代天文爱好者们也喜欢借助日全食的机会，观赏难得一见的太阳高层大气，日冕。

实际上现代的太阳天文台们有一种办法，可以不在日全食的时候观看日冕——用一块小板子遮住太阳，人造一个日全食。

这个思路也可以用于遥远的恒星——用一块小板子遮住中间的恒星，就有机会看到它旁边更加暗弱的行星们。

和 ORCAS 类似，但更极端，John Mather 等人提出了一个叫做Orbiting Starshade的太空星冕仪计划：把卫星发射到0.5倍地月距离的高轨，让它精确地为地面上的30米级大望远镜遮挡住一颗远方的恒星，制造一场微弱但重要的「人造日食」。

Orbiting Starshade原理示意图和与30米下一代地基望远镜配合使用的效果图（Credit: John Mather）

由此，我们将可能直接探测到20多光年之内的临近系外行星大气层，是否有水和氧气的存在。而它们之中将可能包含，未来几百年内，大航「天」时代的人类即将扬帆前往的，新地球。

天文学家为了实现极端的科学目标，提出极端的技术方案，是现代天文学最有魅力的一部分。而 John Mather，就是集中展现这种魅力的代表性人物。

他的人生也给年轻人做了一个很好的表率：如何进入自己并不熟悉的领域，如何选择一个有重要价值的大题目，如何用一生时间，做到极致。