打开天文数据的“闸门”，韦伯太空望远镜每天收集超50GB数据 ...

摩天一人虐

娜塔莉·巴塔利亚（Natalie Batalha）一直希望通过詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）获得数据。终于，在望远镜到达最终轨道几个月后，她在美国加州大学圣克鲁兹分校的团队获准观察少数系外行星——这些围绕太阳以外的恒星运行的行星。



（来源：NASA/MSFC/DAVID HIGGINBOTHAM）

观测的目标之一是 WASP-39b，这个灼热的星球围绕着一颗距离地球约 700 光年的恒星运行。这颗行星是几年前发现的。但在 2022 年 7 月中旬，当巴塔利亚和她的团队首次使用詹姆斯·韦伯太空望远镜对遥远世界进行观测时，他们看到了一种气体的明显特征，这种气体在地球上很常见，但以前从未在系外行星的大气层中发现过：二氧化碳。

在地球上，二氧化碳是植物和动物生命的关键指标。WASP-39b 绕其恒星运行仅有四个地球日，温度太高，不适合人类居住。但这一发现很可能预示着未来会有更多令人兴奋的发现，来自更温暖的世界。要知道，詹姆斯·韦伯太空望远镜刚正式投入使用几天。

“这是一个非常激动人心的时刻，”巴塔利亚说，她的团队第一次聚集在一起查看数据，“我们一看，二氧化碳的特征就被精美地描绘出来了。”

这并非偶然。詹姆斯·韦伯太空望远镜是美国航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）牵头的，由美国、加拿大和欧洲之间的合作项目，是历史上最强大的太空望远镜，可以看到比哈勃太空望远镜所能看到的暗 100 倍的物体。

它于 2022 年 7 月开始正式投入运行，此后我们看到乐来自宇宙各处的、令人难以置信的壮丽景色，从诞生之初的遥远星系图像到星云的惊人景观。丹麦哥本哈根大学的天文学家加布里埃尔 ·布拉默（Gabriel Brammer）说：“它的强大符合、甚至超出我们的预期。”

但詹姆斯·韦伯太空望远镜不断发现新东西的速度不仅仅在于其内在能力。天文学家为它的观测准备了多年，开发了可以快速将其数据转化为可用信息的算法。大部分数据都是开放获取的，这使得天文学界在收到数据时就能开始整理。它的操作员还吸取了哈勃望远镜的经验教训，尽可能多地安排了观测计划。

对于一些人来说，海量的不同寻常的数据令人惊讶。“这超出了我们的预期，”美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜跨学科科学家海蒂·哈梅尔（Heidi Hammel）表示，“一旦我们进入运营模式，它就是一刻不停的。每个小时我们都在观察一个星系、一颗系外行星或恒星的形成，源源不断地传回数据。”

几个月后的今天，詹姆斯·韦伯太空望远镜仍持续向地球上发送大量数据，它有望改变我们对遥远宇宙、系外行星、行星形成、银河结构等天文学现象的理解。并非所有人都喜欢这种快速的节奏，因为它反应出速度比科学进展更重要，但毫无疑问这台望远镜正在以惊人的速度吸引全球的目光。天文数据的“闸门”已经打开，而且不会很快关闭。



（来源：资料图）


打开数据的“闸门”

詹姆斯·韦伯太空望远镜围绕距离地球 150 万公里的稳定点绕太阳运行。它巨大的镀金主镜有长颈鹿那么高，由网球场大小的遮阳罩保护免受太阳的强光照射，使人们能够在红外光下看到前所未有的宇宙景象。

这台望远镜最初构思于 20 世纪 80 年代，曾计划于 2007 年左右发射，耗资 10 亿美元。但它的复杂度导致了大量的延误，不断吞噬着资金，甚至一度被称为“吞噬天文学的望远镜”。当詹姆斯·韦伯太空望远镜最终在 2021 年 12 月发射时，其成本已激增至近 100 亿美元。

即使在发射后，人们也不能完全安心。望远镜需要一个月的时间才能到达月球轨道之外的目标位置，需要数百个活动部件来部署其各种组件，包括巨大的遮阳罩，这是让红外线敏感仪器保持冷却所必需的。

但到目前为止，延误、预算超支和大部分焦虑都已得到解决。詹姆斯·韦伯太空望远镜正在努力工作，其观测活动安排由位于美国巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI，Space Telescope Science Institute）精心编排。每周都会有一个团队使用望远镜执行观测计划，目前从 2022 年 7 月到 2023 年 6 月，已有数百个获得批准的科学项目正在排队。

“我们的目标是让望远镜尽可能地物尽其用，（而）我们做的最糟糕的事情就是让望远镜闲置在那儿，”STScI 的戴夫·阿德勒（Dave Adler）说，他是该望远镜的长期规划负责人，“这可不是便宜的东西。”

在 1990 年代，如果观测计划被更改或取消，哈勃望远镜偶尔会飘在太空中无所事事，而詹姆斯·韦伯太空望远镜的时间表被故意超额排期，以防止出现此类问题。望远镜的机载推进器和反作用轮不断旋转以改变方向，在宇宙中的各个目标之间精确移动望远镜。“我们的目标始终是，尽量减少它的闲置时间，”阿德勒说。

这种紧凑的时间表带来的结果是，詹姆斯·韦伯太空望远镜每天可以收集超过 50GB 的数据，而哈勃望远镜之前只能收集 1 - 2 GB 的数据。这些包含图像和光谱特征的数据会被放入 STScI 运行的算法中。它又被称为“管道（pipeline）”，负责将望远镜的原始图像和数字转化为有用的信息。

其中一些会立即在公共服务器上发布，科学家、还有 JWST Photo Bot 等推特机器人都会从中捕获信息。还有的数据会通过特定程序交给相应的科学家，使他们能够在向大众公布数据之前花时间分析他们自己的数据。



图 | Stephan's Quintet 星系群，数据来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外仪器。（来源：NASA、ESA、CSA、STSCI）

“管道”本质上是一段代码，由 Python 等语言编写而成。它们长期以来一直被用于天文学，但在 2004 年天文学家使用哈勃望远镜花费 100 万秒观察一片空旷的宇宙后，它们取得了长足的进步。当时的目标是在遥远的宇宙中寻找遥远的星系，但要进行 800 次曝光，因此哈勃团队深知手工完成这项任务实在太过艰巨。

于是，他们开发了一条“管道”将曝光转化为可用图像，这是一项艰巨的技术挑战，因为每张图像都需要各自校准和对齐。STScI 的研究天文学家安东·科克莫尔（Anton Koekemoer）说：“你不可能指望当时的科学社区自行组合并完成 800 次曝光。我们的目标是让科学研究能够更快地完成。”这些努力产生了令人难以置信的图像，揭示了 10000 个横跨宇宙的星系，这些星系后来被称为哈勃超深空（Hubble Ultra Deep Field）。

借助詹姆斯·韦伯太空望远镜，由 STScI 开发的“主管道”从其所有仪器中获取图像和数据，并使它们为科学做好准备。许多天文学家无论是业余的还是专业的，使用他们在发射前数月和数年开发的“子管道”来进一步研究数据。

这就是为什么当望远镜的数据开始向地球传输时，天文学家几乎可以立即了解他们所看到的东西，通常需要数月的分析时间变成了仅需数小时的处理时间。

“我们只需要坐在那里，”布拉默说，“突然之间，‘管道’打开了，数据开始传输，我们也准备好了。”


无处不在的星系

哈勃太空望远镜距离地球表面仅几百英里，甚至宇航员都可以访问。多年来，NASA 确实派了宇航员过去，执行了一系列维修和升级望远镜的任务，首先是修复其畸形的镜面——这是 1990 年发射后不久发现的一个问题。而詹姆斯·韦伯望远镜离地球的距离比月球更远，轻易不会有人造访。

许多人期待着詹姆斯·韦伯望远镜的正式交付，包括 NASA 戈达德太空飞行中心的光学望远镜元件经理李·范博格（Lee Feinberg）。“我们花了 20 年时间模拟望远镜的对准，”他说。这样是为了确保它能够准确地指向天空中的目标。

2022 年 3 月，詹姆斯·韦伯望远镜终于到达了月球之外的目标位置，范博格和他的同事们终于准备好开始拍摄测试图像。一天早上，当他走进 STScI 时，屏幕上出现了其中一张测试图像，是一颗恒星。它包含了一个大惊喜。“那里包含了数百个星系，”范博格说，“我们惊呆了。”

这张照片是如此详细，它揭示了延伸到遥远宇宙的星系，尽管它并不是为了这样的目的而拍摄的。“每个人都不敢相信它展现出来的效果，”他说。

在进一步测试和校准仪器以使望远镜启动和运行之后，它执行了一项早期任务，使用低温冷却的中红外仪器（MIRI，Mid-Infrared Instrument）观察 WASP-39b。这是一个搭载在望远镜上的工具，它用红外线进行最深入的观察，可以很容易地检测到行星大气的许多特征。MIRI 的光谱仪使科学家能够从 WASP-39b 的大气层中分辨出光线。

观察团队没有人工分析观测结果，而是使用了一个名为 Eureka! 的“管道”，该“管道”由加州湾区环境研究所的天文学家泰勒·贝尔（Taylor Bell）开发。“目标是从原始数据中提取关于大气光谱的信息，”贝尔说。

像这样分析来自系外行星的信息通常需要数月的工作，但在“管道”的帮助下，拿到观察结果的几个小时内，二氧化碳的特征就跃然纸上。此后，有关这颗行星的许多其他细节也被公布出来，包括对其成分的详细分析和斑块云的存在。

其他人则将“管道”用于更遥远的目标。2022 年 7 月，在研究来自詹姆斯·韦伯望远镜的早期图像时，由麻省理工学院洛汗·奈度（Rohan Naidu）领导的团队发现了 GLASS-z13，这是一个遥远的星系，它的光可以追溯到宇宙大爆炸后仅 3 亿年——比之前已知的任何星系都要早。这一发现引起了全球的轰动，因为它表明星系的形成时间可能比之前预期的要早，可能早了几亿年——这意味着我们的宇宙形成的速度比之前认为的要快。

奈度的发现是由 EAZY 实现的，EAZY 也是一种“管道”，用于在某种程度上粗略地分析望远镜图像中的星系光。它使用这些成像观察来估算与物体的距离，该工具开源在 GitHub 上供任何人使用。


高峰时间

一般来说在科学领域，研究人员会将一篇科学论文提交给期刊，然后由该领域的同行评审，最终得到一个批准发表或拒绝发表的结果。整个过程可能需要数月甚至数年，有时还会延迟发表——但始终秉承科学的准确性和严谨性。

但是，有一些方法可以绕过此过程。一种流行的方法是，在同行评审之前，在 arXiv 之类的预印本网站上发布论文的早期版本。这意味着研究可以在正式发表之前被阅读或公开。在某些情况下，一些研究可能从未提交给期刊，而是仅保留在 arXiv 上，并由科学家在推特和其他论坛上公开讨论。

当科学家们热衷于快速公开新发现时，在 arXiv 上发表文章很受欢迎，有时甚至有意在有竞争关系的论文发表之前。就詹姆斯·韦伯望远镜而言，在第一年里有大约 20% 的项目是开放获取的，这意味着数据在传输到地球后会立即公开发布。

也意味着提出该计划的研究团队将立即与监控数据流的其他人竞争。当望远镜的数据流在 2022 年 7 月打开时，许多研究人员转向 arXiv 来发布早期结果——无论好坏。

意大利罗马天文台的天文学家埃米利亚诺·梅林（Emiliano Merlin）说：“人们急于尽快发表任何东西。”

他参与了早期的望远镜数据分析工作，例如在宇宙大爆炸后寻找遥远宇宙中的星系。在确认其光的年龄之前，有关 GLASS-z13 和其他十几个候选星系的发现就已经被发表了。“这不是我个人真正喜欢的东西，”梅林说，“当你处理这种新事物和未知事物时，应该检查 10 或 100 次。事情不是这样做的。”

一个担忧是望远镜的早期校准问题可能会导致错误。但到目前为止，许多早期结果经得起推敲。后续观测证实 GLASS-z13 是一个破纪录的早期星系，尽管它的年龄略有降低，导致该星系更名为 GLASS-z12。

当然，我们也有可能发现比 GLASS-z12 更早形成的星系，这表明我们很可能需要重新思考我们对宇宙结构的理解，甚至可能暗示存在一个更激进的早期宇宙模型。



（来源：NASA、ESA、CSA、STSCI）

虽然望远镜的许多项目会立即公开发布数据，有时会导致人们疯狂地提前发布结果，但其中约 80% 的项目都有专有期限，允许提出这些项目的研究人员在 12 个月内独家访问他们的数据。这使得科学家，尤其是缺乏大型机构资源的小团体，能够在向公众发布数据之前更仔细地审查他们自己的数据。



图 | 这张恒星图像是在望远镜进行光学校准测试期间拍摄的。（来源：NASA/STSCI）

欧洲航天局科学与探索高级顾问马克·麦考林（Mark McCaughrean）说：“独家访问时间可以平衡资源。如果你拿走这些专有时间，你就相当于把它交到大团队的手里。”

然而，许多科学家并不会用到 12 个月，这意味着他们只会增加望远镜源源不断的新发现。除了正在进行的开放获取观测之外，还会有越来越多的专有结果向公众发布。

“现在数据的“闸门”已经打开，我们将在未来 10 年及以后不断看到论文，”哈梅尔说。也许远不止于此——詹姆斯·韦伯太空望远镜可能有超过 20 年的寿命，允许其运行持续到 2040 年代。

“我们正在打开一扇了解宇宙的全新窗口，”哈梅尔说，“对于人类这个物种来说，我们正处在一个激动人心的时间点上。”

支持：Ren

原文：
https://www.technologyreview.com/2023/01/21/1065178/james-webb-space-telescope-universe/