詹姆斯·韦布空间望远镜有望为我们对遥远行星及宇宙诞生之初的认识带来革命性变化
詹姆斯 · 韦布空间望远镜的设计目标就是要回答在过去半个世纪里牵动着天文学家心绪的诸多核心问题。这架望远镜总耗资已超100亿美元，堪称有史以来最受人们期待的工程学壮举之一。不过，韦布望远镜要想充分发挥潜能——也就是改写宇宙历史、重塑人类在宇宙中的地位——很多相关工作都必须完成得恰到好处才行。
要想逆时间之河而上，一窥宇宙诞生之初第一批恒星散发光芒的样子，你首先得磨制一面房子大小的镜面。它的表面必须相当光滑——如果同比例把镜面放大成一片大陆，那么这片大陆上应当没有任何高度、深度超过你脚踝的山丘或河谷。只有这样一面表面极其光滑的大镜子才能收集到来自宇宙最遥远星系的昏暗星光——这些光在很早之前就离开了源头，因而携带着宇宙诞生之初时的信息。彼时，在神秘力量的驱使下，第一批恒星开始闪耀，打破了沉寂的黑暗，形成了我们如今看到的那些最遥远、最昏暗的星系。
宇宙的历史堪称一本巨著。这部作品的前面几个章节里介绍了第一批恒星（很有可能硕大无比）的性质，介绍了那些通过引力效应推动恒星诞生的不可见物质，介绍了磁效应和扰动在宇宙襁褓期扮演的角色，介绍了大黑洞的成长过程以及它们进入星系中心的方式。不过，要想读懂这些章节，只靠一面大镜子是远远不够的。
理论上，我们只要能观测到足够遥远的星光，就能看到星系形成时期的场景。那么，为什么这个愿景还没有成真呢？因为，那些遥远星光，在经历几十亿年的长途跋涉最后抵达我们肉眼（或探测器）的过程中，不可避免地因宇宙膨胀而拉伸变形了。具体来说，最遥远恒星发出的紫外波段辐射和可见光波段辐射，在经历长途跋涉之后，波长会拉长到原来的20倍左右，变为红外波段的辐射。然而，红外光是一种我们常与热量联系在一起的原子振动光。我们的身体、我们脚下的土地、地球大气散发出的热量其实就是一种红外辐射。也正是因为这样，遥远恒星发出的光在以红外辐射的形式抵达地球后立刻就淹没在了大量热源中。因此，要想观测到这些恒星，望远镜不光要有一面极其平滑的大镜子，温度也要保持在极低的水平上——这就只能是在太空中工作的空间望远镜才能胜任了。
然后，问题又来了：一面房子大小的镜子实在太大了，根本没法通过火箭送入太空。因此，镜子在发射升空时必须折叠起来。这就意味着，镜面决不能是无法分割的一整块，必须由一块块子镜面构成，在外观上就会变成蜂窝状的镜面阵列。接着，等到进入太空后，这些子镜面又必须自动展开，形成一个完美的整体，才能大量捕捉高分辨率图像。这就需要高精度马达的帮忙——它们可以以小于病毒一半宽度的极高精度调整每一块子镜面，直至达到预期效果为止。
在诺斯罗普·格鲁曼位于加利福尼亚的工厂里，组装好的韦布望远镜耸立着。此时，它的主镜就处于折叠状态
拥有了捕获昏暗红外线的能力，我们不但能看到宇宙形成时期的历史篇章（这段历史大约是大爆炸之后5000万年到5亿年），还能了解很多其他方面的信息，比如环绕其他恒星运行的地球大小系外行星的特性，又比如备受争议的宇宙膨胀率。许多学者认为，这些信息同宇宙历史一样重要。不过，要想实现这个目标，除了一面可以在发射升空后自动展开并精准对焦的完美主镜，还有一个元素也是空间望远镜必备的。
即便是在外太空，地球、月亮、太阳也仍旧会对空间望远镜产生加热效应，而且这种效应相当显著，足以干扰望远镜获取宇宙中最遥远天体的昏暗光芒。为此，韦布望远镜特地奔赴一个叫作L2的点。这个点与地球之间的距离相当于地球月亮距离的4倍。从这个点观察，地球、月亮和太阳处于同一方向，于是，望远镜只需要竖起一面网球场大小的遮阳罩就能一次屏蔽上述三个天体的加热效应。通过这种方式，望远镜终于得以进入极低温工作环境，得以长期有效探测来自宇宙晨曦时期的微弱星光。
不过，遮阳罩既是红外望远镜唯一的希望，也是后者的阿喀琉斯之踵。
为了在保证遮阳面积足够大的同时不过度增加火箭的负担，遮阳罩必须由很薄的纤维物构成。（就詹姆斯 · 韦布空间望远镜来说，它的镜面、照相机、传输部件、能源部件及其他所有部件加在一起的重量也就是一般地基望远镜总质量的2%左右。）建造这样一艘质量轻、体积大的红外探测器绝非易事，但更大的风险来自不得不使用的纤维物。按照工程师的说法，纤维物具有很强的“不确定性”，完全无法完美控制或预测纤维物的运动。一旦遮阳罩在展开时出现故障，那么整个韦布望远镜都会立刻变成一堆太空垃圾。
在正式发射之前，耗费巨资建造的詹姆斯 · 韦布空间望远镜处于折叠起来的状态，随时准备安装到“阿丽亚娜5”号火箭的顶部。美国东部时间2021年12月25日7时20分，搭载着望远镜的火箭在法属圭亚那的库鲁发射升空，此时距詹姆斯 · 韦布望远镜的构想首次提出已经过去了30多年。这架望远镜的发射时间比原计划推迟了整整14年，预算则超出了20倍。“我们竭尽所能地找出错误、测试并重新演练，”诺贝尔奖得主、天体物理学家、在美国宇航局韦布望远镜项目上担任首席科学家足足25年的约翰 · 马瑟（John Mather）如是说。他在发射前表示，现在，“我们马上就要把价值百亿美元的望远镜放到一堆爆炸物上了”，后面的一切都要看运气。
在韦布望远镜项目30多年的发展历程中，人类对宇宙的认识也取得了巨大进步。毫无疑问，韦布的前辈哈勃空间望远镜在其中扮演了重要角色。借助哈勃探测并发回的信息，我们已经意识到，恒星、星系、超大质量黑洞的诞生时间要远早于我们原先的理论估计。此外，这些天体自诞生后经历了巨大变化。我们还知道，暗物质和暗能量很大程度上塑造了现在的宇宙。通过开普勒望远镜等探测设备发回的数据，我们发现，各类行星就像圣诞树上的装饰物一样装点着各大星系。其中，光是我们的银河系内就很有可能存在数十亿计的潜在宜居星球。这些发现同时也提出了不少詹姆斯 · 韦布空间望远镜可能解决的问题。此外，天文学家们也希望，这架望远镜与其他观测器一起，也能收获足以提出重要新问题的观测结果。“每一次我们建设新设备，”马瑟说，“都会收获惊喜。”
发射成功只是第一步，随之而来的是天文学家娜塔利 · 巴塔尔哈（Natalie Batalha）所说的“长达6个月的如坐针毡时期”。在这6个月里，这架复杂到令人咋舌的望远镜将通过成百上千个操作展开并对焦。首先，詹姆斯 · 韦布空间望远镜将在1个月内飘荡150万公里，去到L2点。路上，它会在天空中变形成一朵睡莲——巨大的金色子镜面就是它的花瓣，坐落在面积更大的银色叶片上。
“这是属于我们自己的大胆尝试时刻，”在韦布望远镜时间分配委员会工作的哈佛大学天体物理学家格兰特 · 特伦布莱（Grant Tremblay）说，“韦布望远镜执行的任务将令所有人惊奇。我们会在《纽约时报》（The New York Times）上讨论它如何见证时间边缘恒星的诞生。这是宇宙中最早一批星系的故事，也是其他千千万万与地球类似的星球的故事。”
“请务必要正常工作。”补充这句时，特伦布莱的眼睛向上看着，透着祈祷的心境。
从均一走向团块
美国宇航局上一次发射意义如此重大的望远镜——哈勃空间望远镜——是在1990年，过程堪称灾难。“毫无疑问是场灾难。”资深天文学家桑德拉 · 法贝尔（Sandra Faber）告诉记者。法贝尔所在的研究团队驻扎在位于马里兰绿带城的美国宇航局戈达德宇宙飞行研究中心，主要任务就是诊断哈勃空间望远镜项目中的错误。她和同事从一张哈勃拍摄的照片（照片中的一颗恒星看起来呈环状）推断出，哈勃的主镜没有磨制好，因而无法精准对焦——具体来说就是边缘厚了一半波长。（哈勃的主镜是一面巨大的凹面镜，星光经主镜反射到副镜上，然后再由副镜反射到照相机透镜上。）如果在哈勃升空之前就能一起测试主镜和副镜，他们应该早就注意到这个偏差了。然而，当时，为了能够让这架拖延已久、远超预算的望远镜尽早升空，一切都很匆忙，连这样的测试都来不及做。
哈勃空间望远镜拍摄的M100星系图像。左边是1993年12月校正主镜前拍摄的图像，右边是校正后拍摄的图像
问题发现后，美国宇航局的部分领导人甚至提出了放弃哈勃望远镜的想法——当然，哈勃空间望远镜本身就是一个极有争议的项目。好在，在马里兰州参议员芭芭拉 · 米库尔斯基（Barbara Mikulski）的努力下，补救任务的资金有了着落，哈勃望远镜才没有沦为彻头彻尾的笑话。当然，补救的前提是确实有修复问题的可能——作为一架主要工作波段是光学波段而非红外波段的望远镜，哈勃只要在距地面550千米的低地球轨道上就能获取清晰图像了，不用像韦布望远镜那样长途跋涉到100多万千米之外的L2点。1993年，航天飞机成功与哈勃望远镜对接，宇航员给这架“近视”了的望远镜装上了隐形眼镜，矫正了问题。到这个时候，哈勃才真正踏上了给人类天文学和宇宙学带来革命性进展的伟大发现之旅。
在20世纪的大部分时间里，有关宇宙的最重要问题或许就是，宇宙究竟有没有起点，还是说，宇宙自始至终都是我们现在看到的这个样子。英国宇宙学家弗雷德 · 霍伊尔（Fred Hoyle）等学者支持后面一种观点，也即所谓的“稳恒态”理论。“这个理论得到大力支持的原因很显然，那就是简单。”威斯康星大学麦迪逊分校荣休教授、天文学家杰伊 · 加拉格尔（Jay Gallagher）说。“按照这个理论，在某个时间点上，事情起了变化，宇宙创造出了物质。可为什么就非得是这样？”稳恒态理论的支柱霍伊尔，轻蔑地将对手的理论戏称为“大爆炸”，认为这是他们受《创世记》影响太深才产生的想法。
时间来到1964年，新泽西贝尔实验室的射电天线收到了一阵“嘶嘶”声。这股声音的源头就是天空中无处不在的宇宙微波背景辐射——和大爆炸理论预言的一模一样。（宇宙诞生之初，温度极高、密度极大，释放了大量辐射，这些辐射在宇宙膨胀过程中不断冷却，最终变成了我们现在看到的宇宙微波背景辐射。）不过，宇宙微波背景辐射的发现并没有立刻终结这场争论——在随后的几十年里，像霍伊尔这样的铁杆“稳恒态”理论支持者仍旧固执己见，完全不信任大爆炸理论的解释。但是，大部分学者在看到贝尔实验室的这项发现后，就立刻意识到那是大爆炸的余晖。对他们来说，宇宙微波背景辐射同时也创造了一个谜团。探测结果表明，来自天空中各个角落的宇宙微波背景辐射强度近乎完全一致，呈现几乎完美的均一性，这就意味着，宇宙在诞生之初惊人地均匀、“光滑”——简直可以算作一锅浓汤。“问题在于，我们今天看到的宇宙完全是团块化的。”法贝尔说，他在20世纪60年代读研时，研究方向就是星系，“因此，认识星系的第一个挑战就是弄清楚宇宙是怎么从均一走向团块的。”
宇宙学家知道，原子一定是在引力的作用下逐步结合到一起的，这个过程最终催生了如恒星和星系这样的天体结构。然而，从理论计算上看，这种结构的形成过程应该非常、非常缓慢。在宇宙诞生之初，不仅物质因分布均匀而在引力作用下向各个方向拉伸，而且空间的膨胀以及光本身产生的压力都会在物质的分离过程中发挥作用，抵消物质本身拥有的微弱引力吸引效应。
下面说说暗物质。20世纪70年代，华盛顿卡内基研究所的薇拉 · 鲁宾（Vera Rubin）发现，星系边缘地带的转动速度要比理论预计的快得多，就好像还有什么看不见的引力源在拨动它们一样。后来，人们就把星系内外大量缺失的这种物质称为“暗物质”。其实，早在20世纪30年代，弗里茨 · 泽维基（Fritz Zwicky）就观测到，星系之间的引力吸引作用似乎远胜于基于其发光物质总量推算得到的结果。暗物质理论恰好与这个观测结果吻合。此外，普林斯顿大学的吉姆 · 皮布尔斯（Jim Peebles）和杰瑞 · 奥斯特里克（Jerry Ostriker）在20世纪70年代通过计算发现，如果转动的星系盘仅由恒星、气体和尘埃构成的话，它们会处于不稳定状态并最终膨胀成球体。为此，他们猜想，一定有什么看不见的物质创造出了效应更为强大的引力井，我们看得到的星系盘就在其中转动。1979年，法贝尔和加拉格尔撰写了一篇颇有影响的论文。这篇论文汇总了当时有关暗物质的所有证据，并且提出，暗物质总量占到了全宇宙物质总量的90%左右。（目前的估算值是85%左右。）
这些研究人员意识到，引力效应强大且不受光压影响的暗物质可以在宇宙诞生之初相对较快地聚集起来。凭借对宇宙学的贡献分享了2019年诺贝尔物理学奖的皮布尔斯提出了一个定性模型。在这个模型里，暗物质粒子先是会聚在一起，形成团块（现在称为“晕”），接着，这些团块又会不断合并，变成越来越大的团块。英国天体物理学家西蒙 · 怀特（Simon White）在20世纪80年代用计算机粗略模拟了这个“分级合并”的过程。虽然就当时的条件来说，可见物质实在太过复杂，计算机模拟的难度很大，但研究人员还是通过这个方法推测：聚集在一起的暗物质催生了发光物质。包裹在暗物质晕内的原子互相碰撞、加热、朝中心下沉，最终在引力的作用下坍缩成恒星和盘状星系。
虽然这个理论在提出后得到了大多数宇宙学家的支持，但还是有一个大问题没有解决：启动引力聚集过程的物质密度变化最初是怎么出现的？“当时，学界不清楚这个宇宙结构形成模型的合理初始条件到底是什么，”现已退休、居于德国的怀特通过视频软件告诉我，“没错，我们是可以做计算机模拟，但问题是，我们根本不知道要输入什么样的初值。”
“突如其来的领悟”，1979年，宇宙学家阿兰 · 古斯（Alan Guth）在笔记本上草草地写下了这样一句话。在此之前，他已经通过计算得到结论：如果，在大爆炸之初，宇宙像气球表面炸裂一样突然爆炸，那就能解释为什么宇宙后来变得这么庞大、均一、平坦。这个古斯当时称为原初暴增的理论，就是后来为学界所熟知的“宇宙暴胀”理论。“宇宙暴胀”理论在提出后，很快就成了为大家所接受的大爆炸理论“补丁”。宇宙学家很快就注意到，在暴胀期间，空间结构中的量子涨落会在空间快速扩张过程中冻结，从而在整个宇宙中催生细微的密度差异。按照这个假说，暴胀带来的密度点就是未来各种宇宙结构的种子。
20世纪90年代初，我们真的在宇宙微波背景辐射中测量到了前面提到的那些细微密度变化——这项成就也为韦布望远镜项目的顶尖科学家约翰 · 马瑟赢得了诺贝尔奖。不过，早在这个发现出现之前，法贝尔等学者就已经在研究宇宙中的密度点了。1984年，她和3位学者在《自然》（Nature）上发表了一篇论文，介绍了当时有关这个问题的所有进展。“这是学界第一次全方位地阐述暴胀制造涨落的具体方式，也是第一次详尽描述涨落后续是如何催生出星系的。”法贝尔说。
然而，就现在的情况来说，这个理论自始至终都仍是推测性质的，即便它是正确的，目前也缺少证据和细节。
1995年，也就是哈勃安装矫正镜后的第三年，这架望远镜做出了服役期间最有影响力的一大发现，这也是建造其继任者詹姆斯 · 韦布空间望远镜的主要动力之一。时任巴尔的摩空间望远镜科学研究所（这所机构既是哈勃望远镜的指挥中心，也将是韦布望远镜的指挥中心）主管的罗伯 · 威廉姆斯（Rob Williams）在部分博士后研究员的建议下决定，将他拥有的全部100个小时“主管支配时间”——在这100个小时里，罗伯有权决定用哈勃观测任何目标——用来观测天空中一片比月亮缩略图还小的无特征黑暗区域，主要目的就是寻找极为昏暗、遥远的天体——灵敏度稍差一些的望远镜根本没有可能发现它们。
罗伯的同行们大都觉得这是浪费时间。已故的约翰 · 白考（John Bahcall）当时极力劝说罗伯放弃这个想法。白考和他的夫人内塔 · 白考（Neta Bahcall）都是知名天体物理学家，他们坚定地认为，像恒星和星系这样的天体结构都是在宇宙历史的较晚近时期才出现的。如果事实的确如此，那么将望远镜对准那些遥远的昏暗天区就毫无作用，因为那里根本就是空无一物。白考夫妇和其他很多理论物理学家都认为，罗伯拍摄到的照片只会是彻头彻尾的黑暗。
然而在长达100个小时的曝光之后，宝箱的盖子被打开了：在照片这片小小的长方形区域中闪烁着成千上万个形状、大小、颜色各异的星系。天文学家震惊了。
哈勃深空照相机拍摄到的这些遥远星系在照片上显得偏红一些，这是因为它们发出的光在不断膨胀的宇宙空间中跨过了极大的距离才抵达相机，因而被拉伸到了更长一些的波段。这个现象就是“红移”。借助这种“上色”机制，深空照相机拍摄的照片为我们提供了一幅有关宇宙和星系演化时间线的三维图像。照片中的这些星系年龄跨度极大，且覆盖了演化的各个阶段，这就证明，宇宙在历史长河中发生了剧烈变化。“自此，稳恒态理论被扔出了窗外，杳无音讯。”法贝尔说，“这是一次伟大的认识飞跃。自此，我们意识到，用望远镜拍摄宇宙照片，就能回望过去，就能看到宇宙在不同历史时期的样子。”
哈勃拍摄的照片表明，发光天体在宇宙中的形成速度比大多数专家预测的都要快得多。这就意味着，它们不可能只是依靠自身的引力强度演化到如今这个状态的，扮演更重要角色的可能就是不断合并的暗物质晕。
1995年12月，哈勃深空照相机花费了10多天时间拍摄了这张照片。照片显示，在这片宽度大概只有月球直径1/12的天区中，存在大约3000个星系
早期的星系样子很是奇怪——又小又凌乱——这些丑小鸭要花费几十亿年才能长成天鹅。“如今这个由诸多漂亮旋涡星系和椭圆星系构成的精致宇宙的确是最近才演化出来的，”法贝尔说，“这一点也能在望远镜拍摄的照片中看到。”部分幼年星系不断碰撞、合并，这也与宇宙结构成长的分级聚集理论相符。此外，年迈星系中的恒星团分外明亮，这意味着，相对于如今更常见的类太阳恒星，在宇宙初期形成的那些恒星质量要大得多，亮度也要高得多。
天文学家发现，大多数星系在“2倍红移”处亮度达到最大、恒星形成速度最快。所谓“2倍红移”是指，目标星系与我们之间的距离让它们发出的光抵达望远镜时波长拉伸到原来的2倍左右，时间尺度上对应大爆炸之后20亿年。在这个时间节点之后，许多星系趋于昏暗，现在多认为这与星系中心神秘超大质量黑洞的增长有关。
哈勃深空照相机拍摄的照片向我们展示了许多有关星系演化时间线的信息，但最令我们震惊的是，这些信息里没有任何与宇宙开端相关的。以哈勃望远镜的“目力”，只能看到形成时间相对晚近的星系，再久远的就无能为力了。即便宇航员后来为哈勃装上了升级版相机，也只能不稳定地观测到“10倍红移”（时间尺度上对应大爆炸之后5亿年）的星系光芒，而且成像质量并不理想。按照目前的主流观点，各类宇宙结构的起点很可能比这个时间点还要早上数亿年。
星系在形成时，会有部分物质通过某种方式构成恒星。然而，这些原初星系实在太远，也实在太昏暗，哈勃望远镜无法探测到。另外，它们发出的光在抵达地球时，红移程度也实在太严重了：已经超出了可见光光谱的范畴，进入红外波段。因此，要想探测到它们，我们就需要一架可以探测红外波段电磁波且更为庞大的空间望远镜。
“哈勃成功地通过它的深空照相机向我们揭示，存在红移程度远超过我们此前预计的星系，”内塔 · 白考后来对我说，“留给詹姆斯 · 韦布空间望远镜的问题则是，最早的星系究竟何时起源，以及为什么它们这么早就出现了。”
系外行星
1995年10月——罗伯 · 威廉姆斯将哈勃对准虚无从而一窥时间历史之前两个月——瑞士天文学家米歇尔 · 迈耶（Michel Mayor）在意大利佛罗伦萨的一场大会上公布了另一项重要发现：他和他指导的研究生迪迪埃 · 奎罗兹（Didier Queloz）发现了一颗围绕其他恒星运动的行星，也即系外行星。
迈耶宣布这项发现时，当时还是加州大学研究生的娜塔莉 · 巴塔尔哈其实也坐在礼堂后排，但她没能立刻意识到这项发现的重要性。“事情的进展真是很有意思，现在回想起来，当时的确是一个非常重要的时刻。”巴塔尔哈最近接受访问时说。此时他电脑上的虚拟背景是围绕同一颗恒星运动的三颗行星。“那是探索系外行星这个新时代的开端，也是我人生中的重要转折，但我当时并不知晓。”
当时，系外行星搜寻工作在科研领域内是一潭死水，迈耶和奎罗兹的寻找方法似乎也不太像是能成功的。他俩借助光谱仪（一种能将星光分解成各色光的仪器）监测了100多个类太阳恒星，以期找到所谓的“多普勒位移”效应——物体在靠近或远离时，看上去会变得偏蓝或偏红一些。找到这种效应，意味着目标恒星受到行星的引力扰动而产生“晃动”。乍一看，这个方法着实有些牵强，因为只有当行星非常非常重且离母恒星足够近时，后者的“晃动”效应才会足够明显，才能被地球上性能最好的光谱仪捕捉。不过，当迈耶和奎罗兹观测飞马座51（一颗距我们50光年远的类太阳恒星）时，晃动效应的确足够显著。在排除其他可能性之后，他们得出结论：有一颗木星大小的行星在极近的距离（水星与太阳间距离的1/8）上每4. 2天就绕飞马座51一周。
迪迪埃·奎罗兹和米歇尔·迈耶，摄于1995年。拍摄这张照片之前不久，他俩有关系外行星飞马座51b的发现刚刚在《自然》上发表
这项发现，不仅意味着迈耶和奎罗兹找到了一颗系外行星（并且因此而与皮布尔斯分享了2019年诺贝尔物理学奖），更是颠覆了教科书对太阳系的认识。正如行星科学家海蒂 · 海默（Heidi Hammel）所说，“在发现系外行星之前，有关太阳系形成的理论，简直可以算得上是美好的童话故事”。这个故事很好地解释了为什么岩石行星距母恒星较近，而气态巨行星和冰巨星则离母恒星较远。那么，问题来了，为什么飞马座51b这样一颗“热木星”，几乎是贴（天文学尺度上的“贴”）着母恒星运动？
巴塔尔哈至今都还记得迈耶在佛罗伦萨公布系外行星发现时台下观众的反应——鸦雀无声。毫无疑问，学界当时对这项发现持怀疑态度，但没过多久，更多系外热木星的发现就驱散了这些怀疑的阴云。此外，随着望远镜性能的提升和观测技巧的进步，其他种类的系外行星也被发现了。迈耶宣布发现第一颗系外行星16年后，巴塔尔哈在美国宇航局领导的研究团队发现了第一颗获得确认的系外岩石行星开普勒10b。
巴塔尔哈在加利福尼亚东湾长大。当时她还没有随夫改姓巴塔尔哈，闺名娜塔莉 · 斯托特（Natalie Stout）。1983年，物理学家萨里 · 莱德（Sally Ride）进入太空执行任务，成为第一位进入太空的美国女性，这令时年17岁的巴塔尔哈大感震撼。饶是如此，她也几乎从没想过未来会进入科学领域。虽然父母都没有上过大学，但巴塔尔哈成功考入加州大学伯克利分校，主修商学。大二的一个周末，她在洗衣服时突然想道：“抛开天赋、资源不谈，如果全世界的行当任我挑选，我会选什么？”出乎意料，答案几乎立刻就浮现在她的脑海：参与太空项目。
于是，巴塔尔哈便开始上物理课，起初她在学业上很是挣扎，但热情不减。“日常发生的一切竟然都能用数学公式解释，这让我的生活有了全新的意义。”巴塔尔哈说，“物理学让我用不一样的视角看待自己在宇宙中的位置。既然一个方程就能解释薄膜干涉现象——为什么一摊油乎乎的水能泛出彩虹一样的七色——那么，人类认识自然世界的极限究竟在哪儿？”
巴塔尔哈觉得，自己通过某种方式把科学和商学结合到了一起。她在继续物理学课堂学习期间，获得了前往怀俄明州红外天文台暑期实习的机会——地基红外望远镜可不多见，怀俄明州红外天文台就是其中之一。到天文台后，巴塔尔哈却告诉导师和同伴，她的目标和他们不同，她并没有成为科学家的打算。后来，导师给了她一项课题，巴塔尔哈很好地完成了并且正式发表了成果。导师告诉她，“不要低估自己”。受到鼓励的巴塔尔哈回到伯克利后，便敲响了吉博尔 · 巴斯里（Gibor Basri）的办公室门。
加州大学圣克鲁兹分校天文学家娜塔莉·巴塔尔哈领导的科研团队发现了第一颗系外岩石行星。未来，她将负责监管詹姆斯·韦布空间望远镜的第一批系外行星观测活动
恒星天文学家吉博尔 · 巴斯里安排巴塔尔哈分析恒星光谱。亲身体验前沿科学方法的感觉令巴塔尔哈着迷。此外，她还和办公室同行、巴斯里的博士后塞尔索 · 巴塔尔哈（Celso Batalha）坠入了爱河。后来，巴塔尔哈嫁给了塞尔索，去加州大学圣克鲁兹分校攻读天文学硕士。两人很快生下一男一女，男孩叫诺兰（Nolan），女孩叫娜塔莎（Natasha）。过了些年，他俩又生了两个孩子。那些年里，巴塔尔哈和巴西籍丈夫塞尔索频繁地来往于加利福尼亚和里约热内卢。里约热内卢的生活很是美好，但同时也很复杂。巴塔尔哈至今都还记得，他们在驱车经过贫民窟时，路边躺着一具烧焦的尸体。最后，他们选择在湾区定居下来。
彼时的巴塔尔哈认为自己的主要职责是当一位合格的母亲，天文学只是副业，因而从不参加任何会议。不过，凡事皆有例外，当受邀出席1995年在维也纳举办的恒星光谱学大会并在会上提交有关恒星黑子的新数据时，巴塔尔哈答应了。为了照顾年幼的孩子，她还带上了父母一同前往欧洲。会议结束后，她决定多待一周，去参加在佛罗伦萨举办的行星会议。巴塔尔哈注意到，这场行星会议的最后一天，电视摄像在最后一刻被加入了日程安排中。“然后，米歇尔 · 迈耶站了起来，若无其事地说起了系外行星的发现。”巴塔尔哈说。
起初，巴塔尔哈并没有重视那颗刚刚发现的热木星，而是在加州大学圣克鲁兹分校专注于恒星黑子的研究。大约一年后，她听说美国宇航局埃姆斯研究中心（位于硅谷）一位名叫比尔 · 布鲁斯基（Bill Borucki）的科学家决心要建造一架有能力探测地球大小的系外岩石行星（而不仅是气态巨行星）的空间望远镜。至于具体方法，布鲁斯基决定使用掩星法。迈耶和奎罗兹通过追踪恒星星光的颜色变化寻找系外行星，而布鲁斯基寻找的则是恒星星光强度的周期性减弱现象——当环绕母恒星运动的行星运动到恒星前方时，就会遮住母恒星的一小部分星光，从而造成上述现象。
巴塔尔哈觉得，这种方法很难奏效。刚好，她知道恒星黑子差不多就是地球大小，所以她觉得一颗小体积行星经过母恒星时造成的星光昏暗效应，是很难和恒星自转过程中黑子的出现造成的星光昏暗效应区分开来的。巴塔尔哈写信给布鲁斯基说明了这个问题。后者回信说，美国宇航局已经否决了他的这项提议，其中一部分原因正是巴塔尔哈提到的这点。布鲁斯基还邀请巴塔尔哈前去埃姆斯研究中心，一道研究区分那两种效应的方法。
巴塔尔哈答应了，并且与布鲁斯基成功地找到了区分方法。再后来，美国宇航局批准了布鲁斯基重新提交的空间望远镜计划，而巴塔尔哈也成了项目科学家。这架望远镜就是开普勒空间望远镜。自2009年3月升空后，布鲁斯基及其团队涉及的这架望远镜利用掩星法持续观测了大约15万颗恒星。开普勒发射升空那天，巴塔尔哈夫妇带着4个孩子一道去到了位于佛罗里达的卡纳维拉尔角，现场见证这个具有重要意义的时刻。
开普勒的主要搜索目标是地球大小的系外行星。“我们在拿到望远镜数据的10天内就认证了开普勒10b。”巴塔尔哈说。这个研究团队在把目标恒星的亮度变化情况绘制成图后，发现存在明显的明暗变化周期。后续的地基望远镜观测进一步证明，开普勒10b的确是颗行星，而且根据其质量和半径推测，一定是颗岩石行星。2011年1月，巴塔尔哈宣布，他们明确无误地探测到了岩石系外行星——在那之前，曾有一支欧洲天文学家团队也宣称发现了一颗名叫CoRoT-7b的岩石系外行星，但那个结果仍有诸多不确定之处。不过，无论是开普勒10b还是CoRoT-7b，都没法得到“类地球”这个梦寐以求的称号，因为它们与母恒星之间的距离实在太近，不在允许液态水存在的“宜居带”内。（第一颗可能拥有液态水的岩石系外行星，也即真正的类地球行星，是开普勒186f。2014年，科学家发现这颗行星后，相关新闻立刻占据了各大媒体的头版头条。巴塔尔哈没有正式参与到开普勒186f的发现工作中。）
后来，开普勒望远镜因为两个发动机失灵而过早地陷入困境，但在那之前，它已经发现了2600多颗系外行星。算上其他望远镜发现的，已知系外行星总数已经超过4500颗，这个数字已经足够天文学家从统计学层面上研究它们的性质。正如飞马座51b表明的那样，我们的太阳系并非宇宙中的典型。举例来说，星系中最常见的行星大小应该介于岩石行星和气态巨行星之间，而我们太阳系偏偏没有这种大小的行星。目前，行星天文学家还不知道为什么宇宙中有那么多“超级地球”（或者说“亚海王星”），也不知道这些行星长什么样子，不知道它们是怎么形成的。我们迫切需要有关行星形成和演化的新理论。
研究人员根据目前已获得的数据推断，光是我们所在的银河系就有数十亿颗拥有液态水的岩石行星，这同时意味着，生命很可能遍布宇宙。不过，在我们找到其他行星上确实存在生命的证据之前，生命在地球上的出现仍有可能只是偶然，且我们人类仍有可能是宇宙的一个孤单物种。
令人欣慰的是，詹姆斯 · 韦布空间望远镜性能足够强大，能够探测系外行星的大气层和气候条件——如果我们足够幸运的话，甚至可能找到存在外星生态圈的有力证据。
“对于系外行星探测来说，红外波段是一个再好不过的窗口。”巴塔尔哈说。毫无疑问，韦布望远镜为我们提供了一个绝好的探测系外行星乃至系外生命的机会。
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