誰來接替“哈勃”？

作為哈勃太空望遠鏡的繼任者，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡因為性能得到革命性提升而被寄予厚望。它曾計劃于2018年發(fā)射，但發(fā)射日期卻因為各種原因被一再推遲。

南方周末特約撰稿 鞠強

2018年本該會因一臺太空望遠鏡的升空而變得特別，如同1990年那樣。那一年，哈勃太空望遠鏡發(fā)射升空，人類得以憑借前所未有的強大能力去打開觀測宇宙的全新視野。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）作為哈勃太空望遠鏡的繼任者，因為性能得到革命性提升而被寄予厚望。它曾計劃于今年發(fā)射，但發(fā)射日期卻因為各種原因不斷被推遲。2018年6月28日，美國國家航空航天局（NASA）在一份最新的公告中宣布，根據(jù)一個獨立審查委員會的建議，他們已經(jīng)把這臺望遠鏡的發(fā)射日期推遲到2021年3月30日。

接班哈勃

自從1990年4月發(fā)射以來，哈勃太空望遠鏡已經(jīng)運行超過28年。目前，哈勃太空望遠鏡狀況良好，因此NASA計劃繼續(xù)延長它的工作時間。超期服役的哈勃太空望遠鏡獲得了大量的觀測成果，不僅研究人員從中受益，而且即使對一個非研究者來說，欣賞它拍攝到的太空圖片也相當震撼。但是，哈勃太空望遠鏡的設計指標特別是主鏡尺寸，限制了它的探測能力，因此研究人員需要更強大的望遠鏡來回答一些關于宇宙起源和演化的重要問題。

早在哈勃太空望遠鏡正在建造并準備發(fā)射的階段，NASA已經(jīng)將研究它的替代者的工作提上了議事日程。20世紀90年代中期，NASA確定了“下一代太空望遠鏡”（NGST）的概念。2002年，NASA正式立項并將望遠鏡更名為詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。詹姆斯·韋伯（James Webb）是NASA第二任局長，任期從1961年至1968年。正是在他的直接領導下，美國開始了登月計劃，迎來了空間科學發(fā)展的黃金時代。

哈勃太空望遠鏡并非同時期NASA在太空望遠鏡領域的唯一成果，而是一個名為“大型軌道天文臺（Great Observatories）”的計劃中的一項。這個計劃包含4臺太空探測器，除了哈勃太空望遠鏡外，還有康普頓伽馬射線天文臺、錢德拉X射線天文臺和斯皮策太空望遠鏡。這4臺太空望遠鏡在1990年到2003年之間先后發(fā)射升空，在電磁波的不同波段對宇宙進行觀測。

天文學界對詹姆斯·韋伯太空望遠鏡寄予厚望，希望它能夠獲得像哈勃太空望遠鏡一樣巨大的成功，因此常將二者相提并論。但從原理上講，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡其實和斯皮策太空望遠鏡更加相似，因為兩臺望遠鏡都是主要工作在紅外波段。斯皮策太空望遠鏡于2003年8月25日發(fā)射升空后，迄今已經(jīng)工作超過15年。作為又一臺超期服役的望遠鏡，斯皮策太空望遠鏡使我們得以在紅外波段看到了宇宙的另一番景象，幫助我們發(fā)現(xiàn)了系外行星。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和哈勃太空望遠鏡的工作位置也不同。哈勃太空望遠鏡工作在距離地面大概575千米的軌道上，每96分鐘環(huán)繞地球一圈，而詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在發(fā)射升空后，會用大概30天的時間到達距離地球150萬千米的日地第二拉格朗日點（L2）。工作在那里的航天器能夠相對太陽和地球保持基本穩(wěn)定，因此對需要在相對地球穩(wěn)定的位置進行長期工作的航天器來說，L2是一個理想的位置。在此之前，威爾金森微波各向異性探測器、赫歇爾太空望遠鏡和普朗克衛(wèi)星都曾在L2附近停留。

性能卓越

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發(fā)射日期不斷被推遲，引起天文學界的關注和擔憂，原因就在于這臺超級望遠鏡憑借強大的觀測能力，將有望在多個領域內(nèi)開展深入的研究，承載了天文學界巨大的期待。天體物理學家約翰·馬瑟（John Mather）因為在宇宙微波背景輻射領域內(nèi)的研究而獲得了2006年的諾貝爾物理學獎，目前他擔任詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的項目科學家。關于這臺望遠鏡的探測能力，馬瑟在美國科學促進會（AAAS）的一次會議上打了這么一個比方：“它有能力探測到25萬英里外一只大黃蜂發(fā)出的熱量，而這也是地月之間的距離”。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡作為一臺強大的“時光機器”，將有能力回望大爆炸后2億年也就是大概135億年前宇宙的模樣，觀察早期恒星和星系的形成過程。同時，它的超高紅外敏感度會幫助天文學家將最早最小的星系同今天巨大的螺旋星系和橢圓星系進行比較，有助于我們理解數(shù)十億年來星系如何聚合在一起。

它和哈勃太空望遠鏡相比還有一個優(yōu)勢。哈勃望遠鏡主要觀測可見光波段，而可見光會被星際塵埃吸收，這樣可見光攜帶的信息就會丟失。與此相對，紅外光不會被吸收，這樣詹姆斯·韋伯太空望遠鏡就可以觀察星際塵埃。這對研究恒星的誕生尤其重要，因為年輕的恒星往往就是誕生在巨大的塵埃云中。此外，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡還將對系外行星的大氣成分進行研究，也許會在宇宙的其他角落發(fā)現(xiàn)生命存在的蛛絲馬跡。

既然要以前所未有的精度對宇宙進行觀測，那詹姆斯·韋伯太空望遠鏡就勢必要配備前所未有的先進技術，這對參與項目的工程師提出了很大的挑戰(zhàn)。舉例來說，這臺望遠鏡需要在極低的溫度下工作，因此冷卻技術必須革新。望遠鏡上網(wǎng)球場大小的結(jié)構就是用來遮蔽太陽和地球發(fā)出的熱量。遮光板內(nèi)部主體是真空，利用了真空絕佳的絕熱性質(zhì)。真空外的部分是隔熱層，主要材料是聚酰亞胺，表面鍍以高反射性的鋁并摻雜硅。紅外輻射在不同層之間反射，絕大部分熱量從隔熱板邊緣散出。隔熱層共有5層，其中的4層用來滿足對望遠鏡冷卻的要求，而余下的1層主要是為了在空間中的微小物體對其它4層隔熱層造成損壞時起到補充作用。這樣設計的隔熱層的效果也非常明顯，望遠鏡會在-225℃的溫度下工作，而望遠鏡的受熱面溫度會達到100℃。

鏡面面積是望遠鏡的一個關鍵指標，一般來說，鏡面越大，收集信號的能力就越強。不過受火箭攜帶空間和發(fā)射重量等因素的限制，太空望遠鏡的鏡面面積要比地基望遠鏡小得多。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的主鏡由18塊六邊形的鏡面組成，直徑達到6.5米，相比之下哈勃太空望遠鏡的主鏡尺寸只有2.4米。與斯皮策太空望遠鏡相比，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的鏡面面積是前者的50倍。但是即便直徑6.5米這樣對地基望遠鏡來說不太起眼的尺寸，對火箭來說還是太大，因此鏡面需要折疊起來才能裝入火箭。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是一個國際合作的項目，歐洲空間局（ESA）和加拿大空間局（CSA）也會參與其中。除了提供望遠鏡的部分設備外，歐洲空間局的一個主要任務就是提供搭載望遠鏡的阿麗亞娜5型火箭及相關的配套發(fā)射服務。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡另一個需要面對的問題是重量。在鏡面面積比哈勃望遠鏡有明顯增加的情況下，如果使用相同的材料，勢必會超出火箭的起飛重量。因此，研究人員用鈹來制造鏡面。這種金屬很輕，并且可以在極低的溫度下不變形。同時鏡面鍍金，可以獲得高紅外反射率。

除了自身的結(jié)構和材料外，研究人員需要解決的另外一個問題是數(shù)據(jù)和指令的傳輸。目前計劃的運行模式是借助深空網(wǎng)絡（Deep Space Network）每天兩次上傳指令和下傳數(shù)據(jù)，這會通過位于澳大利亞、西班牙和美國加州的地面基站來完成。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡每天會產(chǎn)生235GB的數(shù)據(jù)，這要求深空網(wǎng)絡的帶寬超過10M/秒。為了達到如此高的傳輸速率，研究人員必須改變此前使用的傳輸頻率，并且對基礎設施進行整體升級。這將有助于建立一個新的傳輸標準，并服務于未來新的太空任務。

一波三折

回顧到目前為止詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的整個歷程，“推遲”是無法回避的關鍵詞。1997年，當NASA提出NGST這一概念的時候，望遠鏡最初設定的發(fā)射時間是2007年；2002年，項目正式立項，當時預計的發(fā)射時間是2010年。然而，此后的研制過程可謂一波三折，發(fā)射時間表也一再更新。2015年3月，NASA告知美國國會，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發(fā)射時間是2018年10月。但是就在同年9月，NASA就把發(fā)射時間推遲到2019年春季。在2018年3月，NASA給出的發(fā)射時間是不早于2020年5月。而在2018年6月的最新聲明中，NASA把時間又向后推遲了10個月。

造成詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)射時間一再推遲的原因來自多個方面。根據(jù)獨立審查委員會的意見，這其中包括人為錯誤、過度樂觀、系統(tǒng)復雜和缺乏經(jīng)驗等。以人為錯誤為例，項目的重要承包商之一諾斯洛普格魯曼公司（Northrop Grumman）使用了錯誤的溶劑來清潔已經(jīng)安裝好的推進閥門，致使推進閥門需要被拆卸下來經(jīng)過清洗后，再重新安裝回去。在望遠鏡建造過程中，這樣的事故還不是孤例。這些意外不僅導致項目進展延遲，還額外增加了本已居高不下的成本。

耗費巨資

與很多大科學計劃類似，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在立項、設計和建造的過程中也始終伴隨著爭議。其中除對科學任務的分歧外，一個主要的爭議來源就是對研究資金的分配問題。由于耗資巨大且預算一直在增加，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡給NASA原本就不充裕的研究資金帶來了相當大的壓力。NASA為力保詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能夠順利升空，不惜以削減其他項目的研究經(jīng)費以及取消與其他機構的合作計劃為代價，而這勢必招致其他項目科學家的反對。

NASA傾全力支持詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，使得一些NASA的研究計劃因為缺少資金不得不暫停，外部合作也受到影響。2010年左右，NASA本計劃和歐洲空間局就一系列研究計劃展開合作，包括地外火星（ExoMars）項目。但是NASA后來由于資金壓力而退出合作地外火星，其中優(yōu)先滿足詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的資金需求是主因。2010年，一篇發(fā)表在《自然》上的文章就稱詹姆斯·韋伯太空望遠鏡“吃掉”了天文學。作者認為如果這個項目失敗的話，整個天文學研究會被耽誤整整一代。這也代表了天文學界一部分研究人員的聲音。

正如受到的批評那樣，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的確耗資巨大。根據(jù)最新確定的發(fā)射日期，這個最初預算為5億美元的項目，在整個運行周期內(nèi)的總成本將達到96.6億美元，從而成為美國政府有史以來支持過的耗資最大的科學項目。不過，面臨成本增加和發(fā)射延期的壓力，這個項目仍得以繼續(xù)推進，說明管理層和大部分科學家在它的卓越性能所帶來的愿景面前，仍然對它充滿信心。在這一點上，NASA科學任務理事會（NASA Science Mission Directorate）副主管托馬斯·佐布臣（Thomas Zurbuchen）的話很具有代表性：“我們對我們的宇宙了解得越多，就越能意識到這臺望遠鏡對回答那些我們在設計望遠鏡時甚至都不知道如何提問的問題有多么重要?！?/p>

從現(xiàn)在到預計發(fā)射，還有兩年多的時間。在這段時間里，我們很難斷言這臺超級望遠鏡會一切順利，因為它面臨的每一個困難，可能都是對科學和工程的全新挑戰(zhàn)，當然也就蘊含著突破的機遇。不管它是終于能如期發(fā)射，還是由于某種原因再次推遲，我們都期待它能超越哈勃太空望遠鏡，書寫人類探索宇宙的新的傳奇。耐心等待，祝它好運。