詹姆斯-韦伯太空望远镜的官方宣传海报。图片来源：NASA
最令人欣慰、风险也最高的一刻终于到来了。2021年12月25日北美东部时区上午7:20，搭载着史上最大、最具潜力的太空望远镜的火箭离开了位于法属圭亚那的发射台，美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所控制中心的成员们为之欢呼。
然而，此时悬念还没有完全终结。在发射后半小时，该望远镜需要与主火箭分离，之后还要部署太阳能电池板，为其太空旅程提供部分动力。美国航空航天局（NASA）的一位发言人在给《科学美国人》的声明中说：“只有在这次部署成功后，这次任务才称得上正式成形。”
天文学家们在火箭上倾注的心血比望远镜本身还要多。即使天文学理论的未来没什么风险，NASA的这项空间科学的庞大工程的可行性也存在着风险。作为哈勃太空望远镜（HST）的继任者，詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）是耗费一代人心血的科学项目，它很可能会耗尽政府资助者的耐心，并使相关负责机构的信誉受到影响——但也同样可能从此重新定义一个领域。
NASA负责人Bill Nelson在发射后的讲话中说道：“对于美国以及欧洲和加拿大的合作伙伴、乃至对于整个地球，今天都是一个伟大的日子。JWST将带我们回到宇宙最初的时期。我们都知道，巨大的回报往往也伴随着巨大的风险。这就是这项事业的意义所在，也是我们勇于探索的原因。JWST在很大程度上正是这种探索的一部分。”
当JWST与其上级火箭分离时，视频画面显示出航天器在阳光下闪闪发光，这是它进入正常工作运转前捕捉的最后一个特写，此后它将飞向遥不可及的远方。太空望远镜科学研究所所长Ken Sembach说：“当我们看得更远、钻得更深或测得更精确时，我们一定会发现奇妙的事情。今天我们送别了这架望远镜，同时也睁开了望向宇宙的眼睛。”
从JWST展开太阳能电池板起，这项任务的控制权就正式转移到了巴尔的摩。JWST任务办公室主任Massimo Stiavelli说：“对于太空望远镜科学研究所来说，容易的部分已经结束，而困难的部分才刚刚开始。这真是有史以来最好的圣诞节。”
回到一切的起点
时间回溯到1990年4月，早在HST发射之前，人们就已经开始讨论JWST的原型。HST在空间轨道运行，避免了地球大气层的光学失真影响图像质量。因此，这意味着它比陆地上的望远镜观测距离更远、观测时间更长。
大气层对不同波段电磁波的吸收情况，纵轴为吸收率。大气对红外波段（波长约0.75微米至1毫米）吸收比较强，因此更适合在太空中观测红外波段。图片来源：Wikipedia
即便如此，HST也只是以可见光波段为主进行观测，这只是电磁波谱的一小部分。下一代太空望远镜（也就是现在的JWST）将在红外波段工作，因为宇宙膨胀会将130多亿年前发射的可见光红移到这个波段。
如今，人们开始关注到JWST出色的时间观测能力。HST已经观察到了大爆炸后约4亿年形成的婴儿星系。然而，在这个时间点处，宇宙物质已经经历了几代演化，例如星系的合并与分裂、超新星爆发喷射重元素等。
不过，JWST将能够看到远至大爆炸后仅约1亿年的过去，那时大多数物质仅由原始元素组成，并且刚刚开始凝聚成恒星与星系。项目伊始，JWST的主要目标就是观察宇宙中最早的恒星与星系。
探索生命的新力量
JWST将要探索的另一个科学前沿领域相比之下受到的关注要少一些，但它可能同样对我们理解宇宙具有深远意义。这可以称得上是意外之喜，是20世纪80年代的人们几乎不可能预见的研究课题：系外行星。
天文学家直到20世纪90年代才观察到系外行星存在的证据，其中的一些发现者也因此获得了2019年诺贝尔物理学奖。从那时起，天文学家陆续发现了数以千计的系外行星，而未来几年新发现的系外行星也势必数以万计。然而，几乎所有这些发现都依赖于间接的证据，如当行星围绕恒星公转时，恒星会因被它遮挡而有规律地变亮和变暗，又或者是恒星附近的引力引起的恒星轴摆动。
相比上述间接证据，JWST能够提供更直接的证据，也就是直接观测系外行星本身。这种观测在世界上只有几个设备可以做到，但JWST无疑是观测结果最清晰的。在可见光波段，恒星的亮度会盖过附近的任何物体，但在红外波段观测的JWST可以降低观测对比度，使得行星能从背景恒星的强光中显现出来，成为微小的光点。这种方法还将进一步帮助观察者探测一些星球的大气层，以寻找潜在的生物印迹，如在地球上经光合作用产生的氧气，以及水和二氧化碳等代表着宜居性的物质。
简而言之，无论希望多么渺茫，JWST都将为回答“我们在宇宙中是孤独的吗？”这个永恒的问题提供一线机会。
得克萨斯农工大学的天文学家、美国天文学会前副主席Nicholas Suntzeff预测道：“JWST将为我们带来突破性发现。宇宙中是否存在其他生命？如果存在，这将是科学界有史以来最大的发现。”
坎坷曲折的过往经历
然而，说一千道一万，JWST首先需要能正常工作起来。
1990年HST发射时，JWST项目的许多成员还没有出生。但接下来发生的事情却给他们留下了阴影，也困扰着NASA所有成员。HST早期的一个严重事故像“幽灵”一样持久回荡在太空望远镜科学研究所的走廊里，这里既是HST的运行总部，也是目前JWST任务的控制中心。HST最初的观测结果是失焦的，工程师们很快就意识到他们把它的镜面剖光弄错了，这带来了宇宙级的“近视”，也招致公众的无情嘲讽。尽管宇航员后来在太空行走任务中修复了镜面，但这次惨痛的经历无疑是“干不好就走人”的典型案例，它甚至让HST有成为废铁的可能，也使NASA受到国会严密的监督。
就JWST而言，类似的来自技术、政治、社会方面的多重挫折也在研发过程中纷至沓来。它最初的预算约为15亿至30亿美元，预估的发射时间在2010年。然而，截至2010年，不仅成本上升到了50亿美元，而且望远镜的大部分内容仍然停留在图纸上。事实证明，JWST无数基础性新技术的开发比计划想象得要难得多。仅仅一年后，JWST的预算就扩张了60%，达到80亿美元。也正是此时，国会进行了干预，为JWST设立了预算上限：要么80亿美元，要么破产不干。
难道国会真的敢取消一个如此声势浩大的科学任务吗？答案是它不仅敢，而且曾经这样做过。1993年10月，比尔·克林顿总统签署了一项法案，取消了超导超级对撞机，而它本将成为世界上最强大的粒子加速器。毋论该项目已经耗资20亿美元（按2021年美元折算为31.5亿美元）、毋论该项目已经在地下挖了计划的51英里隧道中的近19英里、也毋论粒子加速器项目已经承诺了会带来变革性的科学突破，国会只是笃定该项目的预算已经失控，便决定取消了该项目。这好比在美国粒子物理学界的心脏上炸了一个洞，即使在三十年后，它仍未完全恢复。
到了2018年，JWST项目一面与国会商讨调整预算上限的事宜，一面又将发射日期越推越远。正如后来政府问责局的调查所揭示的那样，技术问题正在成倍增加。JWST的主要承包商诺斯罗普-格鲁曼公司（Northrop Grumman）的工人们发现，由于使用不适当的溶剂损坏了天文台的推进阀、一个接线错误破坏了压力传感器。而在振动测试中，足足数十个螺栓从航天器上脱落下来。
最终，预算又增加了8亿美元，正式超过了国会之前制定的上限，而发射日期则推迟到了2021年。
甚至连望远镜的名字也一直是一个有争议的话题。早在2002年，时任NASA局长Sean O’Keefe宣布，下一代太空望远镜将被命名为詹姆斯-韦伯太空望远镜（the James Webb Space Telescope）。然而，在科学界用著名科学家的名字来为望远镜和天文台命名才是惯例，O’Keefe此举违反了这一惯例。他对受纪念者的选择基本上是单方面的决定，而且受纪念者不是科学家，而是一位行政人员。詹姆斯-韦伯（James E. Webb）是O’Keefe的前任之一，在1961年至1968年NASA全盛时期担任局长。
而在最近几年，望远镜的名字又激起另一层争议：韦伯本质上是个什么样的人。他在20世纪40年代末和50年代初担任国务院的二把手，然后担任了NASA局长，而当时正值历史学家称为“薰衣草恐慌”（the lavender scare）的时期——联邦机构搜寻并清洗其中的LGBTQ（性少数群体）雇员。近年来的调查发现韦伯参与的具体证据并不多，但人们总是将官僚主义与顽固偏执联系在一起，以至于一些天文学家坚持只将该项目称为“JWST”（詹姆斯-韦伯太空望远镜），而不是“Webb”（韦伯）。
它会正常工作吗？
在通往最终发射日期的道路上，JWST饱受小规模延迟的影响。在发射前几周，发射日期一再推迟，先是因为望远镜的意外晃动（好在经检查后发现没有损坏），然后是因为连接望远镜和地面系统的通信电缆出了问题。就在发射前三天，位于法属圭亚那库鲁的发射场又发布了大风预警，将发射时间从平安夜推迟到了圣诞节。
在发射后的一个月里，JWST仍将进行近350次可能导致功亏一篑的操作（被NASA称为“单点故障”，即系统中一点失效，就会让整个系统无法运作的故障），同时它也会为科学观测做准备。这其中最棘手的一项操作或许是将18块六边形镀金板镜面进行蜂窝状排列。为了使望远镜在发射时不会太重，工程师们选择用相对较轻的铍元素来制作镜面，但镜子的重量并不是最困难的设计挑战，尺寸才是。
当这些镜子最终排列完毕时，它们的尺寸将超过21英尺，与之相比HST的直径只有8英尺，这个尺寸对于火箭有载荷的整流罩来说太宽了。因此，工程师们想出了一个巧妙的解决方案：将镜面分成几段，折叠起来，以便在地球上装入火箭，然后在太空中像折纸一样展开。
如果一切顺利，在发射后约30天，JWST将到达其最后的地点，即被天文学家称为第二拉格朗日点的区域，简称为L2。这是18世纪法国数学家拉格朗日（Lagrange）算得的太阳系中特殊的五个点之一，在这些点上，地球和太阳之间的引力平衡起到了稳定的作用，航天器将与地球同步围绕太阳公转，并能节省燃料。除了JWST，其他占据L2点的天文项目还包括威尔金森微波各向异性探测器（the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe）以及赫歇尔和普朗克空间观测站（the Herschel and Planck space observatories）。
对于JWST而言，L2点还有一个优点：它位于地球背对太阳的一侧，因此可以利用地球遮挡来自太阳的光和热，这对于一个对红外波长敏感的仪器是至关重要的。即便如此，JWST仍然需要热保护，以便它能够在几个月的时间里逐渐冷却至几十开尔文（K，0K即为绝对零度）。在其发射后的第一周，望远镜将展开一个具有网球场大小的五层防晒罩（防晒指数高达100万），保护其脆弱的光学仪器免受各种潜在的热干扰。在防护罩的镜面一侧，温度将接近零下240摄氏度，而在另一侧，温度可能高达90摄氏度甚至更高。
詹姆斯-韦伯太空望远镜展开后的示意图，上方为主镜面，下方为五层防晒罩。图片来源：NASA
不过，尽管有这么多优点，L2也有一个明显的缺点：它离地球近100万英里，足足是地月距离的四倍。相比HST可以在太空行走任务中修复镜面缺陷，JWST将没有这种可能。一旦有器件报废，它将无法经人力修复。
但是，如果一切顺利，JWST将在今年夏天开始向地球传输数据。NASA在这项任务中的合作者，欧洲航天局（the European Space Agency）和加拿大航天局（the Canadian Space Agency）将分别获得15%和5%的观测时间。这些望远镜传回的宝贵数据将不仅包含对宇宙起源和系外行星大气层的新见解，还包含银河系中恒星形成的秘密以及太阳系其他行星的地质学知识。
也许只有到了那时，全世界负责JWST项目的成员才能够真正松一口气，只是他们不得不在7月庆祝圣诞节了。
撰文：Richard Panek是美国著名的作家、记者，专注于空间、宇宙与引力方面的写作。他是《4%的宇宙》的获奖作者，也是古根海姆科学写作奖学金的获得者。
翻译：胡明哲
审校：韩佳桐
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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