誰(shuí)來接替“哈勃”？

作為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡因?yàn)樾阅艿玫礁锩蕴嵘患挠韬裢Ｋ?jì)劃于2018年發(fā)射，但發(fā)射日期卻因?yàn)楦鞣N原因被一再推遲。

南方周末特約撰稿 鞠強(qiáng)

2018年本該會(huì)因一臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡的升空而變得特別，如同1990年那樣。那一年，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，人類得以憑借前所未有的強(qiáng)大能力去打開觀測(cè)宇宙的全新視野。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）作為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的繼任者，因?yàn)樾阅艿玫礁锩蕴嵘患挠韬裢Ｋ?jì)劃于今年發(fā)射，但發(fā)射日期卻因?yàn)楦鞣N原因不斷被推遲。2018年6月28日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在一份最新的公告中宣布，根據(jù)一個(gè)獨(dú)立審查委員會(huì)的建議，他們已經(jīng)把這臺(tái)望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡已經(jīng)運(yùn)行超過28年。目前，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡狀況良好，因此NASA計(jì)劃繼續(xù)延長(zhǎng)它的工作時(shí)間。超期服役的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲得了大量的觀測(cè)成果，不僅研究人員從中受益，而且即使對(duì)一個(gè)非研究者來說，欣賞它拍攝到的太空?qǐng)D片也相當(dāng)震撼。但是，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)指標(biāo)特別是主鏡尺寸，限制了它的探測(cè)能力，因此研究人員需要更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡來回答一些關(guān)于宇宙起源和演化的重要問題。

早在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡正在建造并準(zhǔn)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(jì)90年代中期，NASA確定了“下一代太空望遠(yuǎn)鏡”（NGST）的概念。2002年，NASA正式立項(xiàng)并將望遠(yuǎn)鏡更名為詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。詹姆斯·韋伯（James Webb）是NASA第二任局長(zhǎng)，任期從1961年至1968年。正是在他的直接領(lǐng)導(dǎo)下，美國(guó)開始了登月計(jì)劃，迎來了空間科學(xué)發(fā)展的黃金時(shí)代。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡并非同時(shí)期NASA在太空望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域的唯一成果，而是一個(gè)名為“大型軌道天文臺(tái)（Great Observatories）”的計(jì)劃中的一項(xiàng)。這個(gè)計(jì)劃包含4臺(tái)太空探測(cè)器，除了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡外，還有康普頓伽馬射線天文臺(tái)、錢德拉X射線天文臺(tái)和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡。這4臺(tái)太空望遠(yuǎn)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(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)。

天文學(xué)界對(duì)詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡寄予厚望，希望它能夠獲得像哈勃太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡其實(shí)和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡更加相似，因?yàn)閮膳_(tái)望遠(yuǎn)鏡都是主要工作在紅外波段。斯皮策太空望遠(yuǎn)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(tái)超期服役的望遠(yuǎn)鏡，斯皮策太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的工作位置也不同。哈勃太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡在發(fā)射升空后，會(huì)用大概30天的時(shí)間到達(dá)距離地球150萬(wàn)千米的日地第二拉格朗日點(diǎn)（L2）。工作在那里的航天器能夠相對(duì)太陽(yáng)和地球保持基本穩(wěn)定，因此對(duì)需要在相對(duì)地球穩(wěn)定的位置進(jìn)行長(zhǎng)期工作的航天器來說，L2是一個(gè)理想的位置。在此之前，威爾金森微波各向異性探測(cè)器、赫歇爾太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的發(fā)射日期不斷被推遲，引起天文學(xué)界的關(guān)注和擔(dān)憂，原因就在于這臺(tái)超級(jí)望遠(yuǎn)鏡憑借強(qiáng)大的觀測(cè)能力，將有望在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)開展深入的研究，承載了天文學(xué)界巨大的期待。天體物理學(xué)家約翰·馬瑟（John Mather）因?yàn)樵谟钪嫖⒉ū尘拜椛漕I(lǐng)域內(nèi)的研究而獲得了2006年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，目前他擔(dān)任詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的項(xiàng)目科學(xué)家。關(guān)于這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)能力，馬瑟在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）的一次會(huì)議上打了這么一個(gè)比方：“它有能力探測(cè)到25萬(wàn)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(yuǎn)鏡作為一臺(tái)強(qiáng)大的“時(shí)光機(jī)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(shí)，它的超高紅外敏感度會(huì)幫助天文學(xué)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(jìn)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(yuǎn)鏡相比還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)。哈勃望遠(yuǎn)鏡主要觀測(cè)可見光波段，而可見光會(huì)被星際塵埃吸收，這樣可見光攜帶的信息就會(huì)丟失。與此相對(duì)，紅外光不會(huì)被吸收，這樣詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡就可以觀察星際塵埃。這對(duì)研究恒星的誕生尤其重要，因?yàn)槟贻p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(yuǎn)鏡還將對(duì)系外行星的大氣成分進(jìn)行研究，也許會(huì)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(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)，那詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡就勢(shì)必要配備前所未有的先進(jìn)技術(shù)，這對(duì)參與項(xiàng)目的工程師提出了很大的挑戰(zhàn)。舉例來說，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡需要在極低的溫度下工作，因此冷卻技術(shù)必須革新。望遠(yuǎn)鏡上網(wǎng)球場(chǎng)大小的結(jié)構(gòu)就是用來遮蔽太陽(yáng)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(duì)望遠(yuǎn)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(duì)其它4層隔熱層造成損壞時(shí)起到補(bǔ)充作用。這樣設(shè)計(jì)的隔熱層的效果也非常明顯，望遠(yuǎn)鏡會(huì)在-225℃的溫度下工作，而望遠(yuǎn)鏡的受熱面溫度會(huì)達(dá)到100℃。

鏡面面積是望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，一般來說，鏡面越大，收集信號(hào)的能力就越強(qiáng)。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(yuǎn)鏡的鏡面面積要比地基望遠(yuǎn)鏡小得多。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡由18塊六邊形的鏡面組成，直徑達(dá)到6.5米，相比之下哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡尺寸只有2.4米。與斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡相比，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的鏡面面積是前者的50倍。但是即便直徑6.5米這樣對(duì)地基望遠(yuǎn)鏡來說不太起眼的尺寸，對(duì)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(yuǎn)鏡是一個(gè)國(guó)際合作的項(xiàng)目，歐洲空間局（ESA）和加拿大空間局（CSA）也會(huì)參與其中。除了提供望遠(yuǎn)鏡的部分設(shè)備外，歐洲空間局的一個(gè)主要任務(wù)就是提供搭載望遠(yuǎn)鏡的阿麗亞娜5型火箭及相關(guān)的配套發(fā)射服務(wù)。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡另一個(gè)需要面對(duì)的問題是重量。在鏡面面積比哈勃望遠(yuǎn)鏡有明顯增加的情況下，如果使用相同的材料，勢(shì)必會(huì)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(shí)鏡面鍍金，可以獲得高紅外反射率。

除了自身的結(jié)構(gòu)和材料外，研究人員需要解決的另外一個(gè)問題是數(shù)據(jù)和指令的傳輸。目前計(jì)劃的運(yùn)行模式是借助深空網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network）每天兩次上傳指令和下傳數(shù)據(jù)，這會(huì)通過位于澳大利亞、西班牙和美國(guó)加州的地面基站來完成。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡每天會(huì)產(chǎn)生235GB的數(shù)據(jù)，這要求深空網(wǎng)絡(luò)的帶寬超過10M/秒。為了達(dá)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(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行整體升級(jí)。這將有助于建立一個(gè)新的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，并服務(wù)于未來新的太空任務(wù)。

一波三折

回顧到目前為止詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的整個(gè)歷程，“推遲”是無法回避的關(guān)鍵詞。1997年，當(dāng)NASA提出NGST這一概念的時(shí)候，望遠(yuǎn)鏡最初設(shè)定的發(fā)射時(shí)間是2007年；2002年，項(xiàng)目正式立項(xiàng)，當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)的發(fā)射時(shí)間是2010年。然而，此后的研制過程可謂一波三折，發(fā)射時(shí)間表也一再更新。2015年3月，NASA告知美國(guó)國(guó)會(huì)，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時(shí)間是2018年10月。但是就在同年9月，NASA就把發(fā)射時(shí)間推遲到2019年春季。在2018年3月，NASA給出的發(fā)射時(shí)間是不早于2020年5月。而在2018年6月的最新聲明中，NASA把時(shí)間又向后推遲了10個(gè)月。

造成詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射時(shí)間一再推遲的原因來自多個(gè)方面。根據(jù)獨(dú)立審查委員會(huì)的意見，這其中包括人為錯(cuò)誤、過度樂觀、系統(tǒng)復(fù)雜和缺乏經(jīng)驗(yàn)等。以人為錯(cuò)誤為例，項(xiàng)目的重要承包商之一諾斯洛普格魯曼公司（Northrop Grumman）使用了錯(cuò)誤的溶劑來清潔已經(jīng)安裝好的推進(jìn)閥門，致使推進(jìn)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(yuǎn)鏡建造過程中，這樣的事故還不是孤例。這些意外不僅導(dǎo)致項(xiàng)目進(jìn)展延遲，還額外增加了本已居高不下的成本。

耗費(fèi)巨資

與很多大科學(xué)計(jì)劃類似，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡在立項(xiàng)、設(shè)計(jì)和建造的過程中也始終伴隨著爭(zhēng)議。其中除對(duì)科學(xué)任務(wù)的分歧外，一個(gè)主要的爭(zhēng)議來源就是對(duì)研究資金的分配問題。由于耗資巨大且預(yù)算一直在增加，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡給NASA原本就不充裕的研究資金帶來了相當(dāng)大的壓力。NASA為力保詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡能夠順利升空，不惜以削減其他項(xiàng)目的研究經(jīng)費(fèi)以及取消與其他機(jī)構(gòu)的合作計(jì)劃為代價(jià)，而這勢(shì)必招致其他項(xiàng)目科學(xué)家的反對(duì)。

NASA傾全力支持詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，使得一些NASA的研究計(jì)劃因?yàn)槿鄙儋Y金不得不暫停，外部合作也受到影響。2010年左右，NASA本計(jì)劃和歐洲空間局就一系列研究計(jì)劃展開合作，包括地外火星（ExoMars）項(xiàng)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(yuǎn)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(yuǎn)鏡“吃掉”了天文學(xué)。作者認(rèn)為如果這個(gè)項(xiàng)目失敗的話，整個(gè)天文學(xué)研究會(huì)被耽誤整整一代。這也代表了天文學(xué)界一部分研究人員的聲音。

正如受到的批評(píng)那樣，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的確耗資巨大。根據(jù)最新確定的發(fā)射日期，這個(gè)最初預(yù)算為5億美元的項(xiàng)目，在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的總成本將達(dá)到96.6億美元，從而成為美國(guó)政府有史以來支持過的耗資最大的科學(xué)項(xiàng)目。不過，面臨成本增加和發(fā)射延期的壓力，這個(gè)項(xiàng)目仍得以繼續(xù)推進(jìn)，說明管理層和大部分科學(xué)家在它的卓越性能所帶來的愿景面前，仍然對(duì)它充滿信心。在這一點(diǎn)上，NASA科學(xué)任務(wù)理事會(huì)（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(duì)我們的宇宙了解得越多，就越能意識(shí)到這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)回答那些我們?cè)谠O(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)甚至都不知道如何提問的問題有多么重要。”

從現(xiàn)在到預(yù)計(jì)發(fā)射，還有兩年多的時(shí)間。在這段時(shí)間里，我們很難斷言這臺(tái)超級(jí)望遠(yuǎn)鏡會(huì)一切順利，因?yàn)樗媾R的每一個(gè)困難，可能都是對(duì)科學(xué)和工程的全新挑戰(zhàn)，當(dāng)然也就蘊(yùn)含著突破的機(jī)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(yuǎn)鏡，書寫人類探索宇宙的新的傳奇。耐心等待，祝它好運(yùn)。