1987年的一天早晨，时任美国空间望远镜研究所所长（同时也是当时即将升空的哈勃望远镜项目的负责人）的天体物理学家里卡尔多 · 贾科尼（Riccardo Giacconi）要求当时的副所长加斯 · 伊林沃思（Garth Illingworth）开始考虑哈勃望远镜继任者事宜。“我当时的第一反应是，啊，哈勃都还没上天呢，还有这么多事要处理——有些问题还很大——我们怎么可能腾出手来，同时考虑继任者的事？”伊林沃思近些年回忆起当时的情境时说，“他说，相信我，必须早点筹备，因为我知道，这需要很长很长时间。”哈勃空间望远镜项目早在1970年左右就启动了，最初的领导人是美国宇航局（NASA）天文学家南希 · 罗曼（Nancy Roman），后续几十年领导项目的则是普林斯顿的莱曼 · 施皮策（Lyman Spitzer）。他俩也因此被誉为哈勃的母亲和父亲。
伊林沃思来自澳大利亚，接到贾科尼的指令后，就同空间望远镜研究所的同事——法国人皮埃尔 · 贝利（Pierre Bely）和美国人彼得 · 斯托克曼（Peter Stockman）一起为下一代空间望远镜集思广益。当时，他们没有任何可以借鉴的材料。“我们首先想到的是，怎样才能超越哈勃，填补哈勃的缺陷，并且探索全新的领域，”伊林沃思说，“于是，我们很自然地想到了红外领域。”地面上的望远镜很难准确探测到红外波段的光，主要是因为地面的红外干扰太多。伊林沃思三人认为，在宇宙空间中，红外背景强度大概只有地面的百万分之一左右，应该足以使空间望远镜准确地从红外波段观测天体。“如果我们能在那个地方安置一架功能强大的望远镜，那就打开了广袤科学领域的大门。”
哈勃空间望远镜的主镜直径达到了2.4米。伊林沃思、贝利和斯托克曼意识到，红外望远镜的性能要想达到哈勃级别，就一定会变得非常庞大，因为它探测的波段更长。于是，他们很自然地想到，这架新望远镜的镜面在升空时一定要折叠起来，只有这样才能搭载到火箭上。此外，望远镜的工作温度也一定会很低，因为传感器对温度极其敏感。他们想到的解决方法并不是主动冷却望远镜，而是利用外层空间的极度严寒阻隔来自地球、月亮和太阳的热量。彼时的伊林沃思等人对这个哈勃继任者只有模糊的概念，只知道应该是一架采取被动冷却方式的大型红外望远镜。而如今，这个继任者正式开启了科学发现之旅。
1989年，顶尖天文学家云集空间望远镜科学研究所，讨论红外空间望远镜能够胜任的科学任务。不过，哈勃望远镜起步阶段就遭遇重创，后续又耗费大量人力、物力补救，大大阻滞了这番讨论。20世纪90年代中期，讨论重启。1995年，当时在戈达德空间飞行研究中心任职的约翰 · 马瑟（John Mather）接到了一通来自美国宇航局总部的电话，后者询问这位彬彬有礼的绅士是否有兴趣加入新一代空间望远镜项目。马瑟意识到红外空间望远镜“能有力帮助许多人”，便放下了手头的一切，答应了美国宇航局的邀约。自那之后，马瑟就一直是詹姆斯 · 韦布空间望远镜项目的顶尖科学家。
马瑟称自己是一个“理论工具建造者”。他还是个孩子的时候，就在风景如画的新泽西自己制作望远镜了。当时，他按照望远镜制作手册收集各种用得上的零件，期望能一窥火星表面的情况。20世纪70年代，青年马瑟试图制作一架装载在气球上的望远镜，但最后失败了。事后，他和同事总结经验教训，认为问题出在发射前测试太少。“墨菲定律又一次得到了验证。”马瑟在自传中写道。不过，这个教训也促成了“宇宙背景探测器”（COBE）的巨大成就。“宇宙背景探测器”是美国宇航局主导的一项卫星实验，其成果让马瑟和乔治 · 斯穆特（George Smoot）分享了2006年诺贝尔物理学奖。20世纪90年代初，COBE测量了宇宙微波背景辐射的细微变化——学界认为，这些变化正是后续一切宇宙结构的起源。马瑟认为，从理论层面研究宇宙当然没有问题，但必须借助可靠的仪器才能获取坚实的证据。“所以，我们就决定建造这样的设备，”马瑟在2021年秋天说，“对我来说，这简直是件英雄般的工作。”
美国宇航局戈达德空间飞行研究中心天体物理学家约翰 ? 马瑟，他担任詹姆斯 ? 韦布空间望远镜项目顶尖科学家已有25年之久
很多大胆的设计正是马瑟构思的，比如折叠望远镜的想法。然而，在1996年预算吃紧的大背景下，一个研究红外望远镜的顶尖科学家委员会提出了4米主镜的项目计划，这样一来，望远镜无须折叠就能装载到火箭上，也就大大降低了成本和复杂度。伊林沃思认为这个方案“非常愚蠢，按照这个方案，新望远镜的性能比不上哈勃”。当时的美国宇航局局长丹 · 戈尔丁（Dan Goldin）观点也与伊林沃思等人类似。戈尔丁在那年的美国天文学会大会上发表演说时提道：“为什么你们会提出这样一个不伦不类的方案？六七米的主镜有什么不可以？”大会委员会成员温迪 · 弗里德曼（Wendy Freedman）后来回忆说，“戈尔丁其实是在说，你们这群人怎么胆子这么小？”戈尔丁发完言后，大家起立为他鼓掌。“我觉得，他拯救了詹姆斯 · 韦布望远镜。”伊林沃思说。戈尔丁定下了项目基调，意味着哈勃继任者的主镜只会更大，当然也意味着这架望远镜升空时必须折叠起来。
有那么一段时间，科学家还讨论过8米口径空间望远镜这个听上去就令人热血沸腾的计划，不过，美国宇航局最终还是在2001年敲定，新一代空间望远镜的口径为6.5米，集光面积是哈勃的6倍多。下一个要解决的问题自然就是：要怎么把6.5米口径的望远镜塞到宽度只有5.4米的火箭整流罩里？
“这个项目要解决的一大重要问题就是要怎么把望远镜折叠起来。”马瑟说。各大承包商纷纷拿出方案，互相竞争。洛克希德 · 马丁公司设计的望远镜折叠起来时就像一朵拥有6片花瓣的花朵，波尔航天公司的设计就像一张折叠起来的桌子。而天合公司（TRW）则提出，望远镜可以像老式唱片机取放唱片那样折叠起来。马瑟和他的团队在深思熟虑一年后，决定取各家之长。主承包商确定为TRW，因为这家公司拥有为美国军方建造复杂卫星的丰富经验，并且成功地完成了钱德拉X射线天文台项目。（不久之后，TRW被诺斯罗普 · 格鲁曼公司收购了。）望远镜主镜的设计则很大程度上参考了波尔航天公司的方案：18块六边形子镜面构成一个可以两面折叠的大六边形。同时，美国宇航局还吸纳洛克希德 · 马丁公司方案的提出者迈克 · 门泽尔（Mike Menzel）担任韦布望远镜项目的总工程师。
望远镜的镜面由铍制成——这种轻盈但坚韧的材料在粉末状时有毒。（“铍有毒，这让我们很头痛，但只有它有用。”马瑟说。）铍粉在俄亥俄州压制成块，接着送到亚拉巴马州切割成形。然后，工作人员又会给这18块子镜面覆上一层金——这种材料能极有效地反射红外线——最后，镜面会在位于加利福尼亚的一家专门为这个项目建造的工厂中抛光。“磨制、抛光望远镜镜面是一门拥有数百年历史的黑暗艺术。”比利时-英国天文学家、负责研制中红外仪器（MIRI，韦布空间望远镜上的一个关键部件）的萨拉 · 肯德鲁（Sarah Kendrew）说。
为了让这18块子镜面在宇宙空间中准确对焦，就必须使用精度前所未有之高的发动机。“这种发动机是我们必须立刻发明的，”马瑟说，“如果做不到，那整个望远镜都没法正常工作。”波尔航天公司研制的制动器能够以10纳米（一根头发直径的万分之一）的精度推动每块覆着金膜的子镜面。马瑟说，这些发动机的工作原理其实就是“分解”，或者说“将一个大运动分解成无数小运动”。虽然波尔航天公司的发动机设计使用的是纳税人的钱，但获取了专利。“因此，我们给望远镜拍照时必须确保没有拍到这些发动机。”马瑟说。
2002年，新一代空间望远镜项目有了名字。时任美国宇航局局长的肖恩 · 奥基夫（Sean O’Keefe）打破了用科学家的名字命名的传统——比如，哈勃望远镜就是以美国天文学家埃德温 · 哈勃（Edwin Hubble）的名字命名的——转而使用了美国宇航局第二任局长、主导了“阿波罗计划”的詹姆斯 · 韦布（James Webb）的名字。这个方案刚一公布就不受天文学家的待见，并且后来反对的声音越来越大。就在2020年，还有1 200名天文学家签署请愿书，要求给这架望远镜改名，理由是他们认为韦布在“薰衣草恐慌”期间支持解雇同性恋政府雇员（至少是对此默不作声）。美国宇航局则在调查之后于当年10月宣布，历史学家并没有找到相关证据，也没有任何其他支持改名的理由。
多家机构与美国宇航局签订了合作协议——比如亚利桑那大学和欧洲空间局——负责研制照相机、光谱仪和日冕仪等设备。工作时，这些设备都会旋进到光学焦点位置，分割汇聚在此处的红外线光。作为回报，这些合作机构可以获取韦布望远镜的大量观测时间。
从某种意义上说，红外望远镜最后能发挥多大的作用很大程度上取决于遮阳罩这种脆弱的部件。研制团队很快就选定用卡普顿制作韦布望远镜的遮阳罩。这种银色的薄塑料看上去就像是薯片包装袋的内部，但厚度只有一根头发的直径。由于卡普顿存在不小的撕裂风险，保险起见，需要给望远镜安装多层遮阳罩——研制团队最后决定给韦布望远镜装5层遮阳罩——每层遮阳罩都必须充分展开，且互相之间必须分离，然后用吊臂、缆绳和细绳系紧。望远镜的推进系统和太阳能电池板安装在向阳面，工作温度低于-223℃的光学仪器则藏在背阳面。“詹姆斯 · 韦布空间望远镜应用了很多开创性技术，非常多，而且这些技术都很有意义，”总工程师门泽尔告诉我，“遮阳罩就是其中之一。”
美国宇航局戈达德空间飞行中心的迈克 · 门泽尔是詹姆斯 · 韦布空间望远镜的首席系统工程师——也是这个项目的总工程师
门泽尔身材敦实，浓密的灰色胡须总是修剪得整整齐齐。他在詹姆斯 · 韦布空间望远镜这个有史以来最为复杂的工程项目（之一）中监管着成千上万人的工作。门泽尔就是那种会直接告诉你自己身世、背景的直爽人士。他出生于新泽西州伊丽莎白市——家就在高速公路的13号出口附近——父亲是一位出租车司机。在最近一次的视频采访中，门泽尔手舞足蹈地给我解释制造韦布望远镜遮阳罩时遇到的挑战。“如果是像门这样刚性的东西，只需要加上一条性能良好的铰链，就能掌握它的运动方式，但遮阳罩类似于毯子，松松垮垮。你把毯子铺到床上的时候，能预测到它最后会变成什么样子吗？太难了。负责拉紧遮阳罩的绳子也是一样，可能有100万种各不相同的移动方式。更糟糕的是，我们还得在零重力环境中处理这些问题，这些材料都有可能到你不想让它们去的地方。”于是，顺利展开遮阳罩就“成了一个非常棘手的问题”。
2004年前后，美国宇航局工程师查克 · 佩里戈（Chuck Perrygo）和基思 · 帕里什（Keith Parrish）来到门泽尔在戈达德的办公室，表示他们有办法解决遮阳罩的问题。佩里戈拿起门泽尔办公桌上的一张纸，折成Z型。他提出，遮阳罩可以折叠成很多个这样的Z型，这种方式有时被叫作“手风琴式”折叠。“我很擅长判断方案的对与错，”门泽尔拿起一张折成Z型的纸对我说，“所以，我们都觉得这的确值得一试。”另一边，诺斯罗普 · 格鲁曼公司也独立得出了类似结论。
下一个问题就是，怎样才能在遮阳罩做好展开准备之前保持手风琴式折叠状态。诺斯罗普 · 格鲁曼公司的一位工程师安迪 · 道（Andy Tao）找到了解决方法：遮阳罩安装在107根固定针上，这些针在遮阳罩展开之前像猫爪一样收在一起。
固定针方案又带来了另一个棘手的问题：有针，必然就有针孔。万一展开之后，5层遮阳罩上的针孔碰巧排列成一直线，就会有阳光照进来，加热光学部件。“这就是一个事先怎么也想不到的细节。只有在真正开始工作之后，你才会突然意识到，啊，天哪，只要有5个针孔排成一直线，就会让太阳光进来了，”门泽尔说，“这听上去发生的概率不高，但足够让安迪烦恼了。幸好上帝保佑，他找到了解决方法。”安迪经过大量测试后，找到了一种合适的固定针排布方案，确保无论5层遮阳罩（每层的尺寸都有轻微差异）以何种角度展开，上面的针孔都不会排成一直线。
一个又一个这样的小问题不断出现，导致项目进展缓慢，天文学家开始把这种情况称为“詹姆斯 · 韦布空间望远镜问题”。1996年时，马瑟和他的团队估测，詹姆斯 · 韦布空间望远镜的成本为5.64亿美元——为了过国会那关提出的这个数字确实是有点少了——发射时间为2007年。后来，项目成本一路飙升，发射时间一推再推，国会开始变得有些不耐烦了。2011年，詹姆斯 · 韦布空间望远镜项目几乎被取消，幸好小学生们写信给华盛顿表示对这个项目的大力支持，然后又是参议员米库尔斯基（Barbara Mikulski）出马，拯救了美国宇航局的这个项目。
在戈达德空间飞行研究中心、诺斯罗普 · 格鲁曼公司、波尔航天公司等机构，各种玻璃、金属、塑料在洁净房间内一点一点地拼接起来。但望远镜没法一组装好就发射升空，因为它的目的地远在150万公里之外，宇航员没法像修理哈勃望远镜那样，拿着扳手上去修。就像诺斯罗普 · 格鲁曼公司工程署乔恩 · 阿伦伯格（Jon Arenberg）说的那样，“这就是一锤子买卖”。韦布望远镜只有一次机会，一次就得成功，就得完美无瑕。这就意味着，这架望远镜必须在地球上接受各方各面的无数测试。在2017和2018年的测试中，问题一个接着一个地出现了。
一次“晃动测试”结束之后，一些原本应该固定遮阳罩的螺丝和垫圈散落在了地上——没有上好。有一次，遮阳罩被划破了。还有一次，遮阳罩展开了，但有一根绳缠住了不该缠的部件。
望远镜在运往位于休斯敦的约翰逊宇航中心后，被安置在一间“阿波罗计划”宇航员练习月面行走的舱室内。不过此时，这间舱室为了模拟外太空环境被冷却了。韦布望远镜在此地接受测试时还遇上了一件大麻烦。当萨拉 · 肯德鲁（Sarah Kendrew）等仪器制造人员测试冷硬件的时候，飓风“哈维”来了。整个休斯敦都被洪水淹没，但韦布建造团队最忧心的还是液氮的供应问题。一旦液氮耗尽，望远镜的温度就会快速上升，所有仪器都会损坏。作为一项对整个国家都举足轻重的工程项目，研究团队只好冒险要求液氮供应商开卡车穿越洪水。
问题还没完。2021年早些时候，研制人员发现，负责将信号数据传送回地球的应答器出现故障，必须修复。“一个环节的推迟会导致一系列后续问题，”特伦布莱说，“以及成本的上升。詹姆斯 · 韦布望远镜在真空、低温舱室内每待一个月，就要花费1 000万美元。”随着成本的上升，这个项目越发不能失败。“如果美国宇航局愿意冒更大的风险，那么韦布望远镜的项目成本甚至可以减半。”特伦布莱解释说。
不过，最后，所有问题都还是解决了。诺斯罗普 · 格鲁曼公司的工程师们数次成功地在位于加利福尼亚州雷东多比奇的工厂内展开遮阳罩。然而，按照门泽尔的说法，即便5层闪闪发亮的遮阳罩都能顺利展开了，“我们也并没有你想象的那么高兴，因为我们都知道遮阳罩最后仍旧会回到上次折叠起来时的样子”。
2017年12月1日，在大约100天的低温测试之后，韦布望远镜在休斯敦约翰逊宇航中心的一间真空舱室内亮相了。舱室内，望远镜所在的环境类似太空，寒冷且没有空气，但基地外面则是“哈维”飓风肆虐
韦布望远镜项目最后的总成本接近100亿美元，几乎是最初预算的20倍，不过还是要比航天飞机项目成本低一些。好事多磨的是，新冠疫情的出现又再次推迟了韦布的上天时间。好在，韦布在2021年年末发射升空。2021年9月，望远镜在雷东多比奇通过了最后一次测试：把金色的遮阳罩固定起来，让整架望远镜翻个面，接着正过来，以检测是否有什么部件发生变化。通过测试后，韦布望远镜就被侧着放到了一个集装箱内拖走了。那天，从一开始就深度参与这个项目的加斯 · 伊林沃斯亲自到雷东多比奇，目送望远镜离开。“望远镜就耸立在那里，高大且雄伟，”他在一封电子邮件中写道，“第二天，洁净室内空空如也，一件与韦布相关的设备都没留下。”装着韦布的集装箱离开加利福尼亚的确切时间是保密信息——主要是为了防范公海上的海盗——但在10月初，韦布就漂洋过海穿过了巴拿马海峡，抵达法属圭亚那。这个地方离赤道比较近，欧洲空间局在此地发射加强版阿丽亚娜5型火箭，可以有效利用地球自转。
在韦布望远镜奔向L2的旅程（大约需要1个月）中，科学团队则忙着演练望远镜抵达目的地后5个月试运行期内他们在巴尔的摩24小时不间断的工作日程。“你问我有没有信心？”门泽尔说，“答案是肯定的，我确信我们已经做到了能做的一切。现在的项目风险非常小。韦布上天后也一定会一样好。我相当确信，我们能取得成功。”
位于马里兰州的美国宇航局戈达德空间飞行研究中心洁净室内，一名工程师正在检测韦布的子镜面。2021年2月，一位技术人员帮着收起了遮阳罩——这是最后一次这样做了
“有没有哪里会出错？但愿不会。”
哈勃正常工作之后，人类对宇宙的认识就立即上了一个台阶，就像是近视了的孩童第一次戴上眼镜一样。哈勃的发现还让我们意识到，宇宙中存在大量看不见的物质。
1998年，两支互相竞争的天文学家团队都使用包括哈勃在内的诸多望远镜观测遥远星系中的超新星爆发现象，并且由此确定，宇宙的确在加速膨胀。这就意味着，宇宙空间中存在看不见的膨胀“加速剂”，也即所谓的暗能量。暗能量在宇宙空间中的占比很高，达到了物质总量的70%。（剩下的30%中，26%是暗物质，4%是发光原子和辐射。）
芝加哥大学天文学家温迪 · 弗里德曼，她测量得到的宇宙膨胀率结果越来越准确了
其他谜团也很快浮现。天文学家温迪 · 弗里德曼用哈勃望远镜观测了一种叫作“造父变星”的脉冲星。2001年，她和团队成员又进一步测量了宇宙目前的膨胀速度，精度达到10%——相比之前的测量结果来说，这是很大的进步了。从弗里德曼公布测量结果时起，宇宙膨胀速率就成了宇宙学领域争议的中心。问题的关键在于，理论物理学家根据已知宇宙物质和相关公式推导出的膨胀速率小于弗里德曼等学者的测量结果。这种快速膨胀意味着，宇宙中除了暗物质和暗能量，或许还有其他我们不知道的物质存在。然而，在这个问题上颇有发言权的弗里德曼本人却相当冷静。她认为，那些测量结果未必完全可靠。韦布空间望远镜正式工作之后，弗里德曼将会领导一支观测团队，利用这件利器更细致地研究造父变星等天体。他们希望能够更加精确地测量宇宙膨胀速率，从而确定宇宙中究竟是否还有未知基本物质。
与此同时，哈勃深空照相机拍摄到的照片讲述了一个关于星系演化的震撼故事，极大程度扩展了人类对宇宙历史的认识。不过，这个故事的开篇几章——也是最关键的几章——仍旧是谜团，留待韦布为我们揭晓。
在过去的20年里，亚利桑那大学资深教授、红外天文学先驱之一玛西亚 · 里克（Marcia Rieke）一直在监管近红外照相机（韦布望远镜四大主要科学仪器之一）的设计和制造。她和她的亚利桑那团队正计划将分配给他们的900个小时观测时间（这很多了）中的一半多用来做一项新的深空研究——这项研究将前所未有地深入。哈勃只能看到“10倍红移”（对应大爆炸之后5亿年）星系的模糊光点，而韦布则应该不仅可以相当清晰地看到这些光点，还能看到萌发于更早时期（或许可以追溯到大爆炸之后5 000万年至1亿年）的此前从未见过的星系。
里克和她的团队能够比哈勃深空照相机做得更好。他们先会借助韦布的近红外照相机拍摄黑暗的目标天区，然后认证出这片区域内距我们最远的星系，并借助韦布的近红外光谱仪取得这个星系的光谱，最后，里克就能和她的同事们根据星系光谱推断其化学组成。而哈勃压根就没有光谱仪。
光谱是一项非常重要的数据，因为它能告诉我们，各个原星系拥有那些元素周期表内的元素以及这些元素随时间变化的情况。按照现有理论，最标准的情况应该是，原初气体云、恒星和星系基本都由氢构成，超新星等爆发事件则慢慢地锻造出更重的元素。“然而，总有一些奇怪的事，”里克说，“接近哈勃望远镜观测极限的地方，有一种叫作 ‘类星体’的天体。所谓类星体，实际上是由超大质量黑洞供能的超明亮星系核心。目前看来，这种天体的化学组成似乎和太阳差不多。这实在是令人难以相信。所以，宇宙诞生之初一定发生了一些我们现在还没有弄明白的事。”
哈勃空间望远镜在低地球轨道工作，与我们之间的距离不远，在航天飞机的航程之内。这张照片拍摄于哈勃第四次维修任务期间（2002年）。2009年，航天飞机载着宇航员执行了第五次和最后一次哈勃维修任务
天文学家、天体物理学家和宇宙学家都迫切希望看到第一代恒星和星系，其中的原因恐怕和他们的人数一样多。在斯坦福大学宇宙学家丽萨 · 韦彻斯勒（Risa Wechsler）看来，这是一种观察暗物质形成过程的方式。韦布正式投入工作后，丽萨和同事们将会借助这架望远镜观测到的原初星系数据分析出暗物质晕（这种物质在早期宇宙中一定存在）的尺寸分布以及形成时间。他们或许可以从分析中得知，暗物质究竟是“冷”（由缓慢移动的粒子构成），还是“热”（由快速移动的粒子构成），因为四处乱飞的粒子需要更长时间才能聚集形成暗物质晕。这种“冷热”检测将是我们探求暗物质本质的重要线索。
还有一些研究人员则对第一代恒星颇感兴趣。部分学者认为，韦布能观测到所谓的“第三族恒星”——按照现在的假说，这些宇宙原初时代的“巨兽”恒星质量大概是我们太阳的1万倍。对这类恒星的研究或许还有助于揭开另一个有关星系形成的重大谜团：为什么星系演化到最后中心区域总是会出现超大质量黑洞？（超大质量黑洞就是一些物理尺寸非常小但是引力效应异常强大的天体，质量可以达到太阳的数十亿倍。）目前，没有人知道超大质量黑洞是怎么长成那么重的，也没人知道它们的特性什么时候、出于什么原因同所在星系联系在了一起。有一种理论认为，这些黑洞是从第三族恒星演化而来的，但像这样的理论有很多很多，它们都没有得到坚实证据的支持。韦布空间望远镜会寻找与各种理论相关的天体特征。
理论物理学家已经做了各种计算机模拟，得到了天体结构在早期宇宙中的诸多产生方式。然而，他们就是没法在计算机上以宇宙微波背景辐射为起点模拟出后续事件。“很多初始条件我们都不明白，比如磁场、气体云中的湍流数量。”里克在亚利桑那大学的同事、负责模拟恒星和星系形成的理论物理学家彼得 · 贝鲁兹（Peter Behroozi）说。他还表示，要想以宇宙微波背景辐射中的一大片密度极小的物质点为开端，模拟出哪怕一片会发生引力收缩进而产生恒星的小气体云，都是一件“庞杂的任务”。
“通常情况下，人们会跳过这个阶段，”贝鲁兹说，“直接从一团球状气体云开始研究。既然不知道（暗物质）团块的尺寸分布，那就索性猜测一下。既然不知道磁场的情况，不知道任何有关气体自旋和湍流的信息，就索性全部用上猜测值。”
这种猜测行动最近还大有愈演愈烈的趋势，因为学者们都想在韦布望远镜揭晓恒星和星系形成的真正谜底之前，说出自己的判断，万一符合观测结果，那就青史留名了。要知道，即便是最保守的猜测，也能产生大相径庭的模拟结果。“我从自己的研究中得出了一个重要结论，”贝鲁兹说，“那就是，即便是你尽力去做尽可能合理的猜测，也完全不知道韦布望远镜最后究竟会看到什么。”
娜塔莉 · 巴塔尔哈（Natalie Batalha）的第二个孩子娜塔莎 · 巴塔尔哈（Natasha Batalha）在去佛罗里达观看开普勒望远镜发射升空时18岁。她到现在都还记得同妹妹一起去到观景室时的场景——那里挤满了NASA科学团队的成员。“火箭升空的过程中，空气中弥漫的紧张情绪令所有人不寒而栗。”娜塔莎在最近的一次视频通话中说道。望远镜顺利上天后，现场一片欢腾。她发现，能亲眼见证科学团队取得这样重大的成就，确实令人激动。“但系外行星真正开始成为我脑海中的正经科学概念”是因为，有了开普勒望远镜这样的设备，我们才终于有可能触及这方面的坚实证据。娜塔莎和她母亲一样，用词精准、态度严肃。
在巴塔尔哈家里，太空并不是一个经常讨论的话题。“我不想孩子们的生活里只有科学，”娜塔莉 · 巴塔尔哈说，“我一直在努力的，是让他们觉得自己就是最棒的。”不过，她和丈夫塞尔索（Celso Batalha）对娜塔莎确实有一番“没有言说的期待”。1996年的一天晚上，塞尔索在大学里上夜课，娜塔莉载着半睡半醒的孩子们去一片开阔的草地观测那晚过境的百武彗星。在他们驶出车道之前，当时5岁的娜塔莎坐在后座上问：“那是什么？”她指的正是百武彗星。
娜塔莎8岁时他们一家住在巴西，母亲要他们几个兄弟姐妹画出天文学家的样子。娜塔莎画了一个白人。母亲问她为什么这么画。“现在想想，我当时的这个举动实在是太不可思议了。我的父亲是一位拉丁裔科学家，而母亲则是一位女性科学家。我得承认，对当时的我来说，某些东西已经成为思维定式。”娜塔莎说。不过，也是从那时起，她突然产生了自己也可以从事科学工作的想法，而且这个想法令她充满力量。
四年级时的娜塔莎 · 巴塔尔哈，照片摄于2001年
几年后，娜塔莎又读了萨利 · 里德的自传。她母亲当年就是受到了里德事迹的激励，而娜塔莎更是在读完里德自传后决定，要么当天文学家，要么当宇航员。她的梦想是成为登陆火星的第一人。在开普勒望远镜升空之后，人类发现了越来越多的系外行星，娜塔莎对地外生命存在的可能也越来越感兴趣。此外，她还很好奇，我们怎么通过望远镜观测推导出系外行星上有没有生命。怀揣着这样的梦想，娜塔莎拿到了天文学和天体生物学两个博士学位。接着，在开普勒望远镜“退休”后不久，她的母亲离开了美国宇航局埃姆斯研究中心，在加州大学圣克鲁兹分校担任教授，而娜塔莎则进入NASA工作，研究系外行星大气。
娜塔莎 · 巴塔尔哈所在的这个科研圈子，如今正快速壮大。他们的终极目标是探测到“生命标志气体”——这种气体要是在行星大气中出现，那就只可能是生命活动产生的。每一种分子吸收的波长都不一样，因此称为分子的“特征波长”。所以，只要在行星运行到恒星前面时测量恒星星光，并将结果与行星不在恒星前方时测得的结果做比较，核查恒星星光被行星部分遮挡时，哪个波长的光变弱了，就能知道行星大气中存在何种气体分子。
氧气显然是一个很容易想到的“生命标志气体”候选者。这种气体分子的化学性质十分活泼，除非目标行星上的氧气能够得到不间断补充——比如说通过生态圈的光合作用——否则大气中不太可能留存氧气分子。光合作用是一种简单而高效的能量获取机制，天体生物学家认为，所有拥有生命的行星很可能都会演化出这种机制。因此，氧气的确是一个非常值得一试的寻找目标。
不过，仅仅只是观测到氧气，还不足以说明目标行星上栖息着生命。计算机模拟表明，在某些情况下，氧气可以充斥无生命行星大气。“现在的问题在于，还没有任何一种气体可以成为真正的生命标志气体，”行星科学家哈默尔（Hammel）说，“地球大气中的大部分甲烷都是奶牛释放的……但你看看海王星，会发现上面有数不清的甲烷，却没有一个甲烷气体分子是奶牛产生的。”
更好的生命标志物是多种特定气体的混合。“生命标志气体不太会是单一气体，很可能是多种气体以特定比例混合，这意味着目标行星大气处于非平衡状态，”哈默尔说道，“而这，是天然（无生命）途径无法形成的。”
韦布之前的望远镜已经发现了部分热木星大气中的分子指纹，但这些行星上都没有生命。要想探测到体积更小（因而光信号更弱）但可能宜居的岩石行星的大气情况，就只有韦布才能胜任了。这架望远镜不仅分辨力接近哈勃的100倍，而且能够清晰得多地在母恒星背景中观测系外行星，因为行星释放的红外光比可见光多，而恒星恰恰相反。更为重要的是，韦布观测系外行星时不会受到行星云层的影响——光学望远镜之所以无法看清系外行星密度最高的低层大气往往就是因为云层的遮挡。“想象一下坐飞机时的场景，从舷窗往下看去，云厚得令人发疯，根本看不见地表的情况，”娜塔莎 · 巴塔尔哈说，“但如果改从红外波段观测，立刻就能摆脱这些恼人的云层影响。”
系外行星是詹姆斯 · 韦布空间望远镜“第一轮观测”的目标之一。韦布部署并调试完毕后——大概是升空之后6个月——第一轮观测就开始了。初期观测目标包括3颗气态巨行星，系外行星研究团队选举娜塔莉 · 巴塔尔哈领导对这三颗行星的掩星光学研究。她的团队还会开发数据收集和处理流程，供后续研究小组参考。
还有一些研究特定课题的天文学家群体也会参与韦布望远镜的第一轮观测。2020年，2 000多个研究小组提交了观测项目以竞争韦布望远镜的第一轮观测时间。时间分配委员会挑选了其中266个观测项目，里面有几十个涉及观测系外行星。我视频采访哈默尔时，她向我展示了韦布未来将会观测的数个特点各不相同的系外行星世界，它们也代表了观测者的各个关注点：开普勒16b，围绕两颗恒星运动；巨蟹座55e，学界怀疑它是颗“超级地球”；Trappist-1恒星系（离我们不远，大概40光年）的7颗岩石行星。（哈默尔本人，作为韦布科学团队中的长期科学家，拥有不小于100个小时的观测时间。她会让韦布望远镜浏览我们的太阳系，重点观测木星大红斑，遥远、神秘的柯伊伯带天体以及经常为人们所忽视但哈默尔本人最喜爱的天王星和海王星——她身后的办公室沙发上就放着一对以这两个天体为原型的毛绒玩具。）
在韦布望远镜第一轮观测的所有系外行星中，娜塔莎 · 巴塔尔哈认为，3颗位于宜居带内的Trappist行星最有可能探测到生物标志气体。“Trappist恒星系很特殊，因为这个系统内的恒星非常小，所以行星大气中的气体特征尺度不用那么大（相对而言），也能让我们观测到。”她说。不过，韦布是否真的可能观测到系外行星大气中的生物标志气体，也仍旧是个有争议的问题。“争论常常出现在氧气的探测问题上。”她说。在韦布望远镜的灵敏观测范围中，的确存在一个氧气会吸收的红外波长。因此，从理论上说，当一颗大气氧气含量颇高的系外行星运行到母恒星前面时，会导致恒星光谱中的那个波段出现显著的暗淡效应。然而娜塔莎还表示，这个波长“正好处于仪器探测极限的边缘”。其他种类的气体和气体组合探测起来的确要容易不少，但确证与生命间联系的时候也会更加困难。
娜塔莉 · 巴塔尔哈（左）和娜塔莎 · 巴塔尔哈，照片摄于加利福尼亚利克天文台外
或许，韦布望远镜也只能认证出可能存在生命的行星，进一步的确证工作要留待后续的空间望远镜完成。实际上，天文学家现在的确在忙着筹划这样的项目。NASA的南希 · 罗曼空间望远镜，计划于21世纪20年代末发射，主要设计目标是研究暗能量。至于与地球类似的系外行星，按目前的规划，则是一架名叫LuvEx的空间望远镜的观测目标。LuvEx的观测波段将覆盖紫外、可见光和红外，如果能得到美国国会资助的话，将会在21世纪40年代中叶发射升空。
至于届时我们要观测哪些内容，则取决于未来几年中的收获。
2021年春天的一个早晨，娜塔莎 · 巴塔尔哈醒来后看到了一条同样研究系外行星的天文学家同行约翰娜 · 特斯克（Jonanna Teske）发来的消息：“我们拿到观测时间了！”就在那之前不久，韦布第一轮观测的全部266个项目正式宣布了，巴塔尔哈领导、特斯克担任副手的一个项目赫然在列。
在韦布第一轮观测的所有系外行星项目中，巴塔尔哈和特斯克的这个是规模最大的：他们会在142小时中，观测超级地球和亚海王星这样的系外行星。这类宇宙中大量存在的中等体型“过渡”行星恰恰是我们太阳系中没有的，它们的成分、宜居性和形成历史，我们一点也不清楚。假设在未来几个月中，一切都顺利完成，詹姆斯 · 韦布空间望远镜在对完焦并完成调试之后，就会为了娜塔莎 · 巴塔尔哈及其团队将镜片对准11颗超级地球和亚海王星。此前，每当娜塔莎得知科研进展上的好消息，都会先打电话给特斯克，再打电话给母亲。这一次，是否还会如此？
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者娜塔莉 · 沃尔琪夫（Natalie Wolchover）是塔夫茨大学物理学学士、加州大学伯克利分校物理学硕士，现为资深科学作者、编辑