天文学是由大问题驱动的，没有什么比想知道第一颗恒星和星系是如何开始形成——最终导致我们自己的存在——更大的了。

Webb的NIRSpec仪器如何为我们的起源打开200个窗口

答案埋藏在遥远的宇宙中，如此遥远以至于光传播了数十亿年才到达我们这里，携带着第一个星系形成的图像。这个早期阶段，即大爆炸后仅2亿年，超出了先前望远镜已经令人印象深刻的范围。感谢NASA/ESA/CSA詹姆斯·韦伯太空望远镜，它现在正在进入视野。

但即使是最伟大的太空望远镜也只能和它所附的仪器一样好，这就是NIRSpec仪器的用武之地，它是欧洲对韦伯任务的贡献之一。

ESA前韦伯项目科学家PierreFerruit说：“任何仪器设计的开始都是科学家的雄心壮志。探索第一批恒星和星系的形成确实塑造了NIRSpec。”

NIRSpec是韦伯的近红外光谱仪。它的工作是将韦伯收集的红外光分成其组成波长以形成光谱。通过测量太空中物体​​的亮度在不同波长下的变化情况，天文学家可以提取有关其物理特性和化学成分的大量信息。在Webb和NIRSpec出现之前，不可能对这些最遥远的星系执行此操作。

ESA天文学家GiovannaGiardino说：“现在我们可以做到这一点，一条广阔的道路正在为我们敞开。我们现在可以像研究更近的物体一样研究遥远的星系。”

这些数据将使天文学家能够绘制出星系是如何从宇宙的早期阶段演变成我们今天在我们周围看到的物体的。

NIRSpec是在欧空局的领导下开发的，空中客车防务公司和德国航天公司是总承包商。空客在其位于德国奥托布伦和腓特烈港以及法国图卢兹的工厂组建了一支由70人组成的团队。此外，他们还得到了NASA和17个欧洲分包商的支持。

早期，该团队认为取得成功的最佳方式是不要让任何事情过于复杂化。“当您查看NIRSpec的设计时，它非常简单，”空中客车公司NIRSpec项目负责人RalfEhrenwinkler说。

让光线通过仪器的方式保持简单，使团队能够专注于仪器的革命性方面。其中最主要的是需要同时有效地记录许多物体的光谱——这是以前在太空中从未做过的事情。

研究遥远宇宙的愿望直接需要这种独特的能力，那里的星系是如此微弱。我们需要观察数以千计的它们，才能全面了解我们的早期起源。

我们第一次看到这个领域是在1995年的历史性哈勃深场。从12月18日开始，哈勃望远镜利用其不受干扰的宇宙视野，连续十天凝视着一片天空。选定的斑块只不过是一个小斑点，大约占整个天空的2400万分之一。然而，哈勃发现了大约3000个以前不为人知的物体，其中大部分是数十亿光年外的年轻星系。

多亏了Webb的6.5米大镜子，现在可以在几小时而不是几天内拍摄类似的深场图像，并且NIRSpec可以记录它们的光谱。但是要记录的星系太多了，如果NIRSpec一次只能获取一个光谱，那将是完全不切实际的。因此，该团队必须找到一种方法来同时对许多对象执行此操作。

他们取得了惊人的成功。

ESANIRSpec系统工程师MauriceTePlate说：“我们一次能够收集多达200个物体的光谱，这改变了游戏规则。”

为了实现这一非凡的多任务处理能力，NIRSpec使用了一种称为微快门阵列的突破性设备。它由位于美国马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心制造和供应，由大约四分之一的一百万个微型自动百叶窗组成。每一个的大小都只有80x180微米。它们可以根据需要单独控制打开或关闭。

这解决了从遥远的宇宙获取光谱的最大问题之一：较近的物体的光谱，例如恒星和较近的星系，如果不被掩盖，就会妨碍较暗的物体。

“我们只让感兴趣的物体上方的那些打开，其他的都关闭。因此，只有来自选定目标的光才能进入光谱仪光学系统进行分析，”莫里斯说。

除了遥远的宇宙，NIRSpec还旨在观察离家更近的天体：系外行星。这些世界的大气吸收了一些穿过它们的母星的红外线。通过收集恒星的光并将其分解成光谱，NIRSpec使天文学家能够寻找特定波长下缺失的微量光。然后，他们可以确定行星大气中存在哪些化学物质，并提取有关物理状况的其他信息。

“我们现在可以看到系外行星大气层中许多重要分子的特征，这些特征在地面上或使用NIRSpec之前存在的空间仪器是不可能看到的，”Giovanna说。

NIRSpec为天文学家提供了更多功能。最值得注意的是，它可以将较大的物体(如星系和星云)分成30个切片，并一次性观察每个切片的光谱。由此产生的物理条件和化学图是理解恒星诞生和死亡以及星系运作的关键。

要在近红外区工作，NIRSpec和Webb的其余大部分必须在40开尔文(–233°C)下运行，并通过Webb标志性的遮阳罩保持低温。这对制造精密的科学仪器提出了很大的挑战。不同的材料在冷却时以不同的速率收缩，这会在仪器中产生轻微的变形，从而影响其准确性。

“这是最具挑战性的事情，这也是空中客车公司决定主要用碳化硅制造这种仪器的原因。基板、大部分结构和镜子都是用碳化硅制成的，”拉尔夫说。

碳化硅是一种陶瓷材料，虽然难以加工，但在低温下非常稳定。通过用它制造大部分仪器，几乎可以消除热变形。但这意味着在开始制造之前要完全确定设计。

NIRSpec最初是一块处于所谓绿态的碳化硅，这种材料很软，可以加工。NIRSpec然后被加工成形状，就像艺术家将石头加工成雕塑一样。所有的孔和通道都被钻好，一旦一切准备就绪，它就会被放入熔炉中进行“烧结”。这会使材料变硬，使其极难加工。因此，团队必须在他们之前完全确定设计开始制造。

“在碳化硅上工作绝对是一个挑战，我为我们成功建造它感到非常自豪，”莫里斯说。部分由于他们的成功，使用这种材料现在已经成为欧洲的特色。

当第一批图像和数据开始传回地球时，NIRSpec的成功成为团队关注的焦点。“我不是科学家，我是工程师。所以，我很高兴看到所有遥测都是绿色的，NIRSpec正在工作。但我会分享我和其他大约200人在巴尔的摩的时候第一张照片发布了。我们都热泪盈眶，”拉尔夫说。

现在数据不断涌入，很多人也有同感。

“我对我们获得的光谱质量感到非常惊讶。我可以看到观察者对数据也非常满意。对我来说，这就是我们构建NIRSpec的目的。我认为整个团队都感受到了这一点。现在NIRSpec正在交付，感觉很棒，”Pierre说。

一旦艰苦的数据分析完成，我们将对那些对于理解我们自身的存在如此重要的非凡问题有新的答案：我们宇宙中第一个星系和恒星是如何形成的，以及行星围绕其他恒星运行的频率如何提供允许生命作为生命存在的条件。我们知道它存在。

这就是NIRSpec的创建目的：打开许多窗口来查看大问题。