延期 14 年，超出預算近 20 倍，史上最強也最貴的空間望遠鏡今天終于發射。
撰文 武大可
據美國航空航天局（NASA）消息，美國時間 12 月 25 日 07:20（中原標準時間 20:20），詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）由 Ariane 5 火箭搭載，從法屬蓋亞那航天發射中心發射升空。JWST 将首先進入近地軌道，并在 29 天後抵達 150 萬公裡（相當于地月距離的 4 倍）外、遠離地球大氣和太陽輻射幹擾的日地拉格朗日點 L2 ，并在軌工作至少十年。JWST 将實作遠勝目前所有地面或軌道望遠鏡的高精度紅外觀測，前所未有地揭示可觀測宇宙深處、宇宙誕生初期的神秘圖景。
從項目規劃到 JWST 成功發射，已經過去了 20 餘年。它的前身“下一代空間望遠鏡”（Next Generation Space Telescope，NGST）最初被提議在 2007 年發射，但 JWST 直至 2021 年的今天才終于升空，總花費也由最初規劃的 5 億美元增加到了近百億美元。這場發射為何讓全世界等待了 14 年之久，JWST 将傳回的宇宙畫面又會為人類帶來怎樣的科學突破呢？
欲善其事，先利其器
“貴有貴的道理”。與極度複雜的設計比起來，JWST 建造工期的推延和的項目成本的追加其實情有可原。
為了在發射空間的限制下提供更強大的觀測能力，JWST 的 6.5 米口徑主鏡被設計成了由 18 塊六邊形主鏡面組成的可折疊結構。要知道，光學成像對元件的精度要求極高，就連 2.4 米口徑的哈勃望遠鏡單塊主鏡都曾在入軌後被發現存在缺陷，靠 NASA 後續派遣宇航員修複才得以正常工作。對更大、更精準，并且由多塊鏡面拼接而成的 JWST 主鏡來說，要在經曆了劇烈的發射過程後自主完成納米級的校準，絕非易事。
更何況，JWST 并不會停留在充滿電磁幹擾的近地軌道，而要前往 150 萬公裡外的日地拉格朗日點 L2 工作——那裡并非現今人類宇航員可及之處，JWST 的任何裝置元件一旦出現故障，将完全沒有修複的餘地。是以，從發射到開機，JWST 的部署隻有一次機會。
JWST 還擁有一個 0.7 米的二級鏡，外加一個較小的三級鏡，用于消除散光，令焦平面保持平直。三者的組合能為望遠鏡提供更大的視野，但整個結構的尺寸也增加了發射部署過程的複雜度——連接配接二級鏡的吊杆足足有 8 米長，為了能被塞進火箭内部，它必須被折疊安裝。這同樣加大了展開後校準的難度。
在考慮衆多因素之後，NASA 決定使用特種材料制造這 3 個鏡面。铍金屬公司 Materion 專門為此研發了先進的特種鏡面材料 O-30，能夠在太空環境下保持穩定的光學性能。但這些鏡面仍需 36 K（-237°C）的低溫才能確定穩定工作。為了保持如此低的溫度，JWST 還配備了一個巨大的 5 層遮陽罩。
遮陽罩的大小與網球場相當，擋在太陽（地球和月球也在該側）與望遠鏡的儀器之間，隔絕來自外部的輻射，并被動地把自身熱量輻射到太空中。由輕質的矽-鋁摻雜材料材料 Kapton 構成的足足5層遮陽罩将把望遠鏡整體冷卻到 50 K， 光學儀器則會被冷卻到 7-39 K。5 層遮陽罩各自具有不同的尺寸和厚度，其上還有特殊的接縫和加強結構來抵禦太空隕石等的潛在傷害，必須在空間上精确地展開至準确位置。
如此複雜的柔性結構在太空中精确展開，尚屬人類航天史上的首次，在測試過程中遇到重重困難，也就不足為怪了——在測試過程中，固定遮陽罩的纜線多次在展開時卡死，遮陽罩本身也遭遇過撕裂。好在與其他部件一樣，遮陽罩最終也順利完成了所有測試和審查，并在模拟中實作了最内層 36 K 的冷卻效果。
除此以外，JWST 還配備了許多其他的先進技術群組件。修正 18 個鏡面光學誤差的波前算法，将中紅外儀器冷卻至 7 K 的制冷系統，精确控制視場的光栅陣列，諸如此類，不勝枚舉。審查發現，JWST 有 344 個可能的故障點，而其中的每一個都有可能令整個項目功虧一篑。先進而複雜的技術元件加之僅有一次的發射部署機會，使得研發和測試困難重重，JWST 的工程耗時和成本預算都一升再升。
史上最貴的“鴿子精”
實際上，JWST 的前身，“下一代空間望遠鏡” NGST早在上世紀 90 年代就已開始規劃。受到哈勃空間望遠鏡（發射于 1990 年）巨大成功的鼓舞，1993-1994 年，NASA 的相關委員會提議建造一台比哈勃口徑更大的空間望遠鏡（最初計劃為 4-6 米口徑），并針對 1-5 微米波段進行優化，發射至日地拉格朗日點 L2 進行紅外觀測。NASA 随後對項目進行了評估，認為 NGST 可在 2005 年建成，2007 年發射，并給出了 5 億美元的預算，這一預算在一年後增加到了 10 億美元。
随着科學計劃的成熟和觀測範圍的擴大，NGST 的規劃設計不斷變化，發射日期不得不多次推遲，預算經費也随之增長。到 2002 年，項目規劃已将發射推遲至 2010 年，總預算增至 18 億美元。同樣在 2010 年，NGST 項目得到了歐洲航天局和加拿大航天局的加入，并以曾在阿波羅計劃期間任 NASA 主管的詹姆斯·韋伯（James Webb）的名字重新命名——James Webb Space Telescope，JWST 的名字由此誕生。歐洲航天局和加拿大航天局各投入了一筆資助，令 JWST 的總預算增至 25 億美元。2005 年，JWST 又經曆了一次全面的重新規劃，預計的發射時間被推遲到了不早于 2013 年，全生命周期成本增加到了 45 億美元。
JWST 六邊形主鏡的組裝在 2016 年底最終完成——但在随後的測試過程中狀況百出，上面提到的遮陽罩展開故障就是例子之一。為確定萬無一失，工期不得不一再拖延，項目成本也繼續增長。根據 2018 年的評估，NASA 将發射時間再次推遲到了 2021 年 3 月——緊接着，修複、改造和測試工作遭遇了新冠疫情，JWST 的組裝、測試和發射又多次延期。
工期一拖再拖，成本水漲船高，令 JWST 項目廣受批評，2010 年發表在《自然》（Nature）的一篇文章甚至将 JWST 評價為“吞噬了天文學的望遠鏡”，美國國會也屢次考慮槍斃這一耗資巨大的項目。美國前總統奧巴馬在任内取消了 NASA 的多個項目和任務，包括航天飛機和重返月球的“星座計劃”（Constellation program）等等，但 JWST 項目最終留存了下來。到 2021 年 12 月發射之時，JWST 的總計開發成本已達 88 億美元，預估生命周期總成本則高達 97 億美元，幾乎是最初預算的 20 倍。
可以說，JWST 是天文學史上最貴的“鴿子精”，好在這一切都是值得的——JWST 終于建成并發射，它将會成為人類曆史上功能最強大、成像最清晰的空間望遠鏡，也将從宇宙的盡頭、時間的開端為我們帶回無窮無盡的科學寶藏。
空間與時間，它一眼望穿
JWST 與 1990 年發射的哈勃空間望遠鏡同為大型空間望遠鏡，而哈勃可能在 10 年内退役，因 JWST 常被視為“哈勃的繼任者”。但實際上，JWST 并不是哈勃的替代品或更新品。位于近地軌道的哈勃望遠鏡将和遠在日地 L2 點的 JWST 将在未來十年以不同的方式同時執行科學任務。
JWST 的 6.5 米直徑主鏡的面積達到了 2.4 米直徑的哈勃主鏡的 6.25 倍，這JWST 擁有了比哈勃的 NICMOS 相機大得多的視野，空間分辨率也大大提升。但這并不是兩者最重要的差別。哈勃望遠鏡的科學儀器在今天看來仍是十分強大，但它主要進行的是光學波段（400-700 納米）和紫外波段（小于400納米）的觀測，而 JWST 進行的是 600 納米至 28 微米的紅外觀測——前所未有的超高精度紅外觀測能力正是 JWST 無與倫比的科學價值的根本來源。
JWST 将能夠看到的暗淡天體比哈勃的極限還要暗上超過 100 倍——早期宇宙中誕生的第一批恒星和星系，宇宙深處的塵埃雲，甚至太陽系外其他可能擁有生命的行星大氣。NASA 列出了 4 類能讓 JWST 能夠大顯身手的主要科學觀測對象：
早期宇宙。JWST正如一台時間機器，它将回顧135億年前早期宇宙中形成的第一批恒星和星系。早期宇宙中天體發出的光經曆了數百億年的宇宙膨脹，發生了巨大的紅移，到如今被我們觀測到之時，早已轉移到了光譜的近紅外和中紅外部分。是以，要看到宇宙誕生初期的景象、早期宇宙中的恒星和星系，我們需要一個強大的近紅外和中紅外望遠鏡——這正是JWST。
星系曆史和演化。星系是如何形成的？是什麼賦予了星系如今的形狀結構？化學元素如何在其中分布？中心黑洞如何影響宿主星系？星系碰撞時發生了什麼？從亞原子粒子到巨大尺度的暗物質結構，不同尺度的宇宙物質結構和星系曆史都能為我們提供有關宇宙如何建構和演化的重要線索。JWST将幫助我們看到宇宙深處的古老星系，通過與今天的星系進行比較，我們或許能夠了解它們的成長和演化。
恒星生命周期。盡管恒星模型已能較好地描繪恒星在整個生命周期中大部分時間的演化曆程，但恒星的早期演化仍是未知，我們也尚不了解氣體和塵埃雲是如何坍縮形成行星的。想要了解這些過程，我們需要窺視恒星形成時塵土飛揚的原行星盤區域。緻密的塵埃使其在可見光波段變得不透明，隻有在紅外波長下才能被穿透觀察。
行星在望遠鏡的視野中太過渺小，無法直接觀測到。但行星圍繞恒星運作時，會通過遮擋和反射的作用改變觀測到的恒星亮度和光譜。圖檔來源：NASA
地外行星。JWST的另一項主要任務是研究系外行星的大氣，尋找生命的基石。當行星掠過恒星時，恒星的光會被遮擋。通過JWST與地面望遠鏡的協同，徑向速度分析将給出行星的品質，而JWST将進一步對行星的大氣進行光譜分析。當恒星的光線穿過行星大氣時，大氣中的元素和分子将會吸收特征能量的譜線。而這樣的吸收譜中的紅外部分包含了最多的光譜特征。JWST的最終目标之一是找到一顆與地球大氣相似的行星。
上下四方曰宇，古往今來曰宙，從星際塵埃到行星，再到恒星和星系，從大爆炸伊始到第一批星系和恒星誕生，再到可能擁有生命的行星出現——JWST 的視野是 600 納米到 28 微米的紅外譜線，更是全時空尺度的宇宙全貌。其中隐藏着多少全新的科學，等待發現呢？
讓我們與 JWST 一同拭目以待吧。
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