谁来接替“哈勃”？

作为哈勃太空望远镜的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜因为性能得到革命性提升而被寄予厚望。它曾计划于2018年发射，但发射日期却因为各种原因被一再推迟。

南方周末特约撰稿 鞠强

2018年本该会因一台太空望远镜的升空而变得特别，如同1990年那样。那一年，哈勃太空望远镜发射升空，人类得以凭借前所未有的强大能力去打开观测宇宙的全新视野。詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）作为哈勃太空望远镜的继任者，因为性能得到革命性提升而被寄予厚望。它曾计划于今年发射，但发射日期却因为各种原因不断被推迟。2018年6月28日，美国国家航空航天局（NASA）在一份最新的公告中宣布，根据一个独立审查委员会的建议，他们已经把这台望远镜的发射日期推迟到2021年3月30日。

接班哈勃

自从1990年4月发射以来，哈勃太空望远镜已经运行超过28年。目前，哈勃太空望远镜状况良好，因此NASA计划继续延长它的工作时间。超期服役的哈勃太空望远镜获得了大量的观测成果，不仅研究人员从中受益，而且即使对一个非研究者来说，欣赏它拍摄到的太空图片也相当震撼。但是，哈勃太空望远镜的设计指标特别是主镜尺寸，限制了它的探测能力，因此研究人员需要更强大的望远镜来回答一些关于宇宙起源和演化的重要问题。

早在哈勃太空望远镜正在建造并准备发射的阶段，NASA已经将研究它的替代者的工作提上了议事日程。20世纪90年代中期，NASA确定了“下一代太空望远镜”（NGST）的概念。2002年，NASA正式立项并将望远镜更名为詹姆斯·韦伯太空望远镜。詹姆斯·韦伯（James Webb）是NASA第二任局长，任期从1961年至1968年。正是在他的直接领导下，美国开始了登月计划，迎来了空间科学发展的黄金时代。

哈勃太空望远镜并非同时期NASA在太空望远镜领域的唯一成果，而是一个名为“大型轨道天文台（Great Observatories）”的计划中的一项。这个计划包含4台太空探测器，除了哈勃太空望远镜外，还有康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策太空望远镜。这4台太空望远镜在1990年到2003年之间先后发射升空，在电磁波的不同波段对宇宙进行观测。

天文学界对詹姆斯·韦伯太空望远镜寄予厚望，希望它能够获得像哈勃太空望远镜一样巨大的成功，因此常将二者相提并论。但从原理上讲，詹姆斯·韦伯太空望远镜其实和斯皮策太空望远镜更加相似，因为两台望远镜都是主要工作在红外波段。斯皮策太空望远镜于2003年8月25日发射升空后，迄今已经工作超过15年。作为又一台超期服役的望远镜，斯皮策太空望远镜使我们得以在红外波段看到了宇宙的另一番景象，帮助我们发现了系外行星。

詹姆斯·韦伯太空望远镜和哈勃太空望远镜的工作位置也不同。哈勃太空望远镜工作在距离地面大概575千米的轨道上，每96分钟环绕地球一圈，而詹姆斯·韦伯太空望远镜在发射升空后，会用大概30天的时间到达距离地球150万千米的日地第二拉格朗日点（L2）。工作在那里的航天器能够相对太阳和地球保持基本稳定，因此对需要在相对地球稳定的位置进行长期工作的航天器来说，L2是一个理想的位置。在此之前，威尔金森微波各向异性探测器、赫歇尔太空望远镜和普朗克卫星都曾在L2附近停留。

性能卓越

詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射日期不断被推迟，引起天文学界的关注和担忧，原因就在于这台超级望远镜凭借强大的观测能力，将有望在多个领域内开展深入的研究，承载了天文学界巨大的期待。天体物理学家约翰·马瑟（John Mather）因为在宇宙微波背景辐射领域内的研究而获得了2006年的诺贝尔物理学奖，目前他担任詹姆斯·韦伯太空望远镜的项目科学家。关于这台望远镜的探测能力，马瑟在美国科学促进会（AAAS）的一次会议上打了这么一个比方：“它有能力探测到25万英里外一只大黄蜂发出的热量，而这也是地月之间的距离”。

詹姆斯·韦伯太空望远镜作为一台强大的“时光机器”，将有能力回望大爆炸后2亿年也就是大概135亿年前宇宙的模样，观察早期恒星和星系的形成过程。同时，它的超高红外敏感度会帮助天文学家将最早最小的星系同今天巨大的螺旋星系和椭圆星系进行比较，有助于我们理解数十亿年来星系如何聚合在一起。

它和哈勃太空望远镜相比还有一个优势。哈勃望远镜主要观测可见光波段，而可见光会被星际尘埃吸收，这样可见光携带的信息就会丢失。与此相对，红外光不会被吸收，这样詹姆斯·韦伯太空望远镜就可以观察星际尘埃。这对研究恒星的诞生尤其重要，因为年轻的恒星往往就是诞生在巨大的尘埃云中。此外，詹姆斯·韦伯太空望远镜还将对系外行星的大气成分进行研究，也许会在宇宙的其他角落发现生命存在的蛛丝马迹。

既然要以前所未有的精度对宇宙进行观测，那詹姆斯·韦伯太空望远镜就势必要配备前所未有的先进技术，这对参与项目的工程师提出了很大的挑战。举例来说，这台望远镜需要在极低的温度下工作，因此冷却技术必须革新。望远镜上网球场大小的结构就是用来遮蔽太阳和地球发出的热量。遮光板内部主体是真空，利用了真空绝佳的绝热性质。真空外的部分是隔热层，主要材料是聚酰亚胺，表面镀以高反射性的铝并掺杂硅。红外辐射在不同层之间反射，绝大部分热量从隔热板边缘散出。隔热层共有5层，其中的4层用来满足对望远镜冷却的要求，而余下的1层主要是为了在空间中的微小物体对其它4层隔热层造成损坏时起到补充作用。这样设计的隔热层的效果也非常明显，望远镜会在-225℃的温度下工作，而望远镜的受热面温度会达到100℃。

镜面面积是望远镜的一个关键指标，一般来说，镜面越大，收集信号的能力就越强。不过受火箭携带空间和发射重量等因素的限制，太空望远镜的镜面面积要比地基望远镜小得多。詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜由18块六边形的镜面组成，直径达到6.5米，相比之下哈勃太空望远镜的主镜尺寸只有2.4米。与斯皮策太空望远镜相比，詹姆斯·韦伯太空望远镜的镜面面积是前者的50倍。但是即便直径6.5米这样对地基望远镜来说不太起眼的尺寸，对火箭来说还是太大，因此镜面需要折叠起来才能装入火箭。詹姆斯·韦伯太空望远镜是一个国际合作的项目，欧洲空间局（ESA）和加拿大空间局（CSA）也会参与其中。除了提供望远镜的部分设备外，欧洲空间局的一个主要任务就是提供搭载望远镜的阿丽亚娜5型火箭及相关的配套发射服务。

詹姆斯·韦伯太空望远镜另一个需要面对的问题是重量。在镜面面积比哈勃望远镜有明显增加的情况下，如果使用相同的材料，势必会超出火箭的起飞重量。因此，研究人员用铍来制造镜面。这种金属很轻，并且可以在极低的温度下不变形。同时镜面镀金，可以获得高红外反射率。

除了自身的结构和材料外，研究人员需要解决的另外一个问题是数据和指令的传输。目前计划的运行模式是借助深空网络（Deep Space Network）每天两次上传指令和下传数据，这会通过位于澳大利亚、西班牙和美国加州的地面基站来完成。詹姆斯·韦伯太空望远镜每天会产生235GB的数据，这要求深空网络的带宽超过10M/秒。为了达到如此高的传输速率，研究人员必须改变此前使用的传输频率，并且对基础设施进行整体升级。这将有助于建立一个新的传输标准，并服务于未来新的太空任务。

一波三折

回顾到目前为止詹姆斯·韦伯太空望远镜的整个历程，“推迟”是无法回避的关键词。1997年，当NASA提出NGST这一概念的时候，望远镜最初设定的发射时间是2007年；2002年，项目正式立项，当时预计的发射时间是2010年。然而，此后的研制过程可谓一波三折，发射时间表也一再更新。2015年3月，NASA告知美国国会，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射时间是2018年10月。但是就在同年9月，NASA就把发射时间推迟到2019年春季。在2018年3月，NASA给出的发射时间是不早于2020年5月。而在2018年6月的最新声明中，NASA把时间又向后推迟了10个月。

造成詹姆斯·韦伯太空望远镜发射时间一再推迟的原因来自多个方面。根据独立审查委员会的意见，这其中包括人为错误、过度乐观、系统复杂和缺乏经验等。以人为错误为例，项目的重要承包商之一诺斯洛普格鲁曼公司（Northrop Grumman）使用了错误的溶剂来清洁已经安装好的推进阀门，致使推进阀门需要被拆卸下来经过清洗后，再重新安装回去。在望远镜建造过程中，这样的事故还不是孤例。这些意外不仅导致项目进展延迟，还额外增加了本已居高不下的成本。

耗费巨资

与很多大科学计划类似，詹姆斯·韦伯太空望远镜在立项、设计和建造的过程中也始终伴随着争议。其中除对科学任务的分歧外，一个主要的争议来源就是对研究资金的分配问题。由于耗资巨大且预算一直在增加，詹姆斯·韦伯太空望远镜给NASA原本就不充裕的研究资金带来了相当大的压力。NASA为力保詹姆斯·韦伯太空望远镜能够顺利升空，不惜以削减其他项目的研究经费以及取消与其他机构的合作计划为代价，而这势必招致其他项目科学家的反对。

NASA倾全力支持詹姆斯·韦伯太空望远镜，使得一些NASA的研究计划因为缺少资金不得不暂停，外部合作也受到影响。2010年左右，NASA本计划和欧洲空间局就一系列研究计划展开合作，包括地外火星（ExoMars）项目。但是NASA后来由于资金压力而退出合作地外火星，其中优先满足詹姆斯·韦伯太空望远镜的资金需求是主因。2010年，一篇发表在《自然》上的文章就称詹姆斯·韦伯太空望远镜“吃掉”了天文学。作者认为如果这个项目失败的话，整个天文学研究会被耽误整整一代。这也代表了天文学界一部分研究人员的声音。

正如受到的批评那样，詹姆斯·韦伯太空望远镜的确耗资巨大。根据最新确定的发射日期，这个最初预算为5亿美元的项目，在整个运行周期内的总成本将达到96.6亿美元，从而成为美国政府有史以来支持过的耗资最大的科学项目。不过，面临成本增加和发射延期的压力，这个项目仍得以继续推进，说明管理层和大部分科学家在它的卓越性能所带来的愿景面前，仍然对它充满信心。在这一点上，NASA科学任务理事会（NASA Science Mission Directorate）副主管托马斯·佐布臣（Thomas Zurbuchen）的话很具有代表性：“我们对我们的宇宙了解得越多，就越能意识到这台望远镜对回答那些我们在设计望远镜时甚至都不知道如何提问的问题有多么重要。”

从现在到预计发射，还有两年多的时间。在这段时间里，我们很难断言这台超级望远镜会一切顺利，因为它面临的每一个困难，可能都是对科学和工程的全新挑战，当然也就蕴含着突破的机遇。不管它是终于能如期发射，还是由于某种原因再次推迟，我们都期待它能超越哈勃太空望远镜，书写人类探索宇宙的新的传奇。耐心等待，祝它好运。