最昂贵的望远镜，最坎坷的升空路

　　詹姆斯·韦伯空间望远镜工作想象图。（图片来自NASA网站）
　　北京时间2021年12月25日20:20，美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope）由欧洲空间局（ESA）的阿丽亚娜5型火箭搭载，在位于法属圭亚那库鲁的航天发射中心成功发射升空，随后顺利展开太阳能电池板，开始自主飞行。这台有史以来耗资最大、承载万众期待目光的空间望远镜，在历经不计其数的波折之后，终于迎来升空之日。天文学界翘首以盼的这一天终于到来，人类探索宇宙的历史将就此进入一个崭新的时代。
　　重任在肩
　　自从人类进入空间望远镜时代以来，空间望远镜以不受地面观测条件限制的优势和强大的观测能力，不断刷新我们对宇宙的认识。从1990年至2003年，美国国家航空航天局实施了＂大型天文台＂（Great Observatories）计划，先后发射了4台大型空间望远镜，其中除了大名鼎鼎的哈勃空间望远镜外，还包括康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策空间望远镜。这4台空间望远镜在电磁波的不同波段观察宇宙，为我们描绘了一个更加完整的宇宙图景。
　　哈勃空间望远镜于1990年4月发射升空，目前已经在轨运行超过31年，获得了海量的观测成果，堪称目前为止最成功的空间望远镜。我们经常会把詹姆斯·韦伯空间望远镜称作哈勃空间望远镜的＂接班人＂，由此可见对詹姆斯·韦伯空间望远镜给予了怎样的期望。NASA科学任务理事会（NASA Science Mission Directorate）副主席托马斯·祖布钦（Thomas Zurbuchen）的话很有代表性：＂我们对我们的宇宙了解得越多，我们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。＂
　　不过，从严格的意义上说，哈勃空间望远镜和詹姆斯·韦伯空间望远镜并不是同一类型的望远镜：哈勃空间望远镜主要工作在光学波段，而詹姆斯·韦伯空间望远镜主要工作在波长0.6微米到28.5微米的红外波段。从工作原理上说，把詹姆斯·韦伯空间望远镜定位为斯皮策空间望远镜的＂接班人＂更合适，这样的＂接班＂也更加紧迫。斯皮策空间望远镜于2003年8月发射升空，服役超过16年，美国国家航空航天局在2020年1月30日宣布斯皮策空间望远镜于当天正式退役。斯皮策空间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，同时开展的研究也为詹姆斯·韦伯空间望远镜的研制铺平了道路。现在，我们需要詹姆斯·韦伯空间望远镜在红外波段更好地揭示宇宙的秘密。
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜在发射升空后，会用29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L2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，那里是一个理想的位置。在此之前，威尔金森微波各向异性探测器、赫歇尔空间望远镜和普朗克卫星等探测器都曾在L2附近停留。在到达L2后，詹姆斯·韦伯空间望远镜会用1-2个月的时间打开仪器，再用3个月左右的时间对仪器进行测试。发射升空大约半年后，望远镜可以正式开展科学观测。
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜（图片来源：NASA网站）
　　观天利器
　　天文学界之所以对詹姆斯·韦伯空间望远镜给予巨大的期待，原因就在于它具有史无前例的强大探测能力。天体物理学家、2006年诺贝尔物理学奖获得者约翰·马瑟（John Mather）曾经在一次美国科学促进会（AAAS）的会议上这样介绍这台望远镜的探测能力：＂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。＂
　　作为一台强大的＂时光机器＂，詹姆斯·韦伯空间望远镜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漩涡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。詹姆斯·韦伯空间望远镜可以观察星际尘埃，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·韦伯空间望远镜还将对系外行星的大气成分进行研究，有可能在宇宙的其他角落发现生命存在的蛛丝马迹。
　　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，空间望远镜的镜面面积要比地基望远镜小得多。哈勃空间望远镜虽然成就卓越，但是它的主镜尺寸只有2.4米，这也限制了它的探测能力。在镜面面积这个指标上，詹姆斯·韦伯空间望远镜进行了革命性的提升。它的主镜由18块六边形的镜面组成，直径达到6.5米，镜面面积是同为红外望远镜的斯皮策空间望远镜的镜面面积的50倍。
　　不过，即便是直径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，因此詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜面需要折叠起来才能装入火箭。这台望远镜在被折叠后，高度为10.66米，宽度为4.5米，被放置在高度为17米、直径为5.4米的整流罩中。在太空中展开后，望远镜的高度为8米，长度为21.2米，宽度为14.2米。詹姆斯·韦伯空间望远镜在太空中的展开过程，也将是有史以来最复杂的太空展开过程，这是成功发射之后望远镜所要面临的另一个挑战。
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜将以前所未有的精度对宇宙进行观测，因此势必要配备前所未有的先进技术，技术攻关也是望远镜发射时间一再推迟的重要原因之一。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，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他4层隔热层造成损坏时起到补充作用。隔热层的效果非常明显：望远镜会在-233 的温度下工作，而望远镜的受热面温度约为85 。
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜另一个需要面对的问题是重量。在镜面面积比哈勃空间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，这也是我们看到的詹姆斯·韦伯空间望远镜的照片都是金光闪闪的原因。
　　好事多磨
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜成功发射升空，既令天文学界和关注太空探索的公众感到激动和欣慰，也多少让人觉得＂出乎意料＂，因为在望远镜的整个研发周期内，已经不知有多少次发射推迟的情况发生。
　　20世纪90年代中期，在哈勃空间望远镜投入使用后不久，NASA就确定了＂下一代空间望远镜＂（NGST）的概念。2002年，NASA正式立项并将望远镜更名为詹姆斯·韦伯空间望远镜。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。
　　在NASA提出下一代空间望远镜概念的时候，望远镜的发射时间被定在2007年。项目正式立项时，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·韦伯空间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。到了2019年3月，NASA给出的发射时间是不早于2020年5月。没过多久，2019年6月28日，NASA把发射时间又直接向后推迟了10个月，定在2021年3月30日。
　　在NASA公布詹姆斯·韦伯空间望远镜将于2021年12月发射的时候，很多旁观者可能都抱着将信将疑的心态，毕竟此前发射推迟的＂前科＂不胜枚举。果不其然，12月的发射日期又被数次推迟：从12月18日到12月22日，再到12月24日。但由于天气预报显示12月24日发射场的天气条件不佳，发射时间就被推迟到圣诞节当天。直到火箭点火升空，詹姆斯·韦伯空间望远镜真正踏上探索之旅的时候，这场漫长的等待才终于画上了句号。
　　太空探索计划发生推迟发射的现象实属正常，因为在设计、制造探测器的过程中，会有很多不可控的情况发生，包括科学目标的调整、制造工艺的研发，等等。但是，詹姆斯·韦伯空间望远镜的推迟次数和延后时间堪称创下纪录。这其中，既有政治方面的原因，比如与美国国会谈判以争取经费；也有社会方面的原因，比如2020年以来的新冠疫情导致望远镜制造的延误；同时还有意外发生的情况，比如项目承包商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，以及失误造成望远镜发生意外震动，等等。临近发射时，则是由于天气原因导致发射推迟。
　　这一系列的推迟造成詹姆斯·韦伯空间望远镜的最终发射时间比最初计划的时间晚了14年之久，开支也从最初立项时的5亿美元飙升至目前的108亿美元，成为美国政府支持过的耗资最大的科学项目。NASA希望在加强国际合作的同时在一定程度上分担成本，因为把詹姆斯·韦伯空间望远镜打造成一个国际合作的项目，欧洲空间局和加拿大空间局（CSA）也参与其中，各自分担了一小部分经费。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，这也是望远镜在欧洲空间局所属发射场发射的原因。
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜的设计使用寿命为10年。同时，NASA也在开发新的技术，希望能够通过机器人为望远镜添加推进剂以延长望远镜的使用周期。考虑到此前空间望远镜的情况，如果顺利完成展开并达到预定位置，我们有理由相信詹姆斯·韦伯空间望远镜能够服役更长时间。我们同样有理由相信，这台凝聚了几万名科学家和工程师智慧的空间望远镜，将会在未来彻底改变我们对宇宙的认识。
　　南方周末特约撰稿鞠强