“給我一臺望遠鏡，我就能想出一些有意義的事情來做，” 簡·裡格比說，她是 NASA 戈達德太空飛行中心的天體物理學家，也是該機構耗資 100 億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的執行專案科學家，這是人類迄今為止建造的規模最大、功能最強大的地外天文臺。 在她的職業生涯中，裡格比使用過世界上許多頂級的地面和太空天文設施——並且她領導了韋伯眾多“早期釋出科學”活動之一，這些活動預先安排在其首年的觀測中，利用該望遠鏡研究跨越宇宙時空的星系中的恆星形成。 但她與韋伯的主要工作是與她的團隊合作，透過照顧望遠鏡在其計劃的五年主要任務期間為全球研究人員進行的全面科學調查，確保每個有幸使用它的人都能做“有意義的事情”。 這絕非易事：對於那些希望從這個獨一無二的觀測臺中儘可能榨取科學價值的人來說，韋伯的每一分每一秒都彌足珍貴——而裡格比負責監督日程安排。
自從韋伯於 2021 年聖誕節發射以來，她和她的同事們一直不停地工作，為觀測臺準備好交付關於宇宙中最早的星系、附近的系外行星以及更多方面的突破性發現。 現在，隨著其鏡片和儀器準備就緒，以及其首批科學影像和資料集即將釋出，韋伯的革命性研究有望真正開始。《大眾科學》與裡格比談論了操作韋伯所需的團隊合作、觀測臺不確定的壽命以及最大限度地提高對已知宇宙中規模最大、效能最佳的望遠鏡 100 億美元投資回報的微妙任務。
[以下是經過編輯的訪談記錄。]
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韋伯的情況看起來不錯，不是嗎？ 我們即將看到望遠鏡的第一批科學影像，它的效能在除錯期間超出了預期，而且它前往深空的航行使其剩餘足夠的推進劑，可以將執行時間延長到 2040 年代——遠遠超出其“名義”任務壽命。 想到我們可能會從這個需要數十年穩定、勤奮的工作和 100 億美元的驚人設施中獲得如此多的“額外”時間，這真是令人驚歎，這個設施在某些方面可能是天體物理學領域有史以來最大的單筆投資。 所以我想和您談談該專案如何保護這項投資，以及它將如何最大限度地榨取價值，可以這麼說。
情況看起來非常好，絕對是這樣。 這架望遠鏡不僅像我們承諾的那樣出色——在許多方面，它甚至更好。 我很樂意談論榨取價值的各個方面。 像團隊中的其他人一樣，我很高興揭曉韋伯的第一批科學影像。 這將是我們第一次真正“榨取價值”，從那裡每個人都可以自行判斷它的甜度。 我喜歡這個“榨取價值”的比喻——只要我們不是在談論類固醇。
等等，但韋伯不是“打了類固醇的哈勃”嗎？ 對不起，開個玩笑。
實際上，這需要大量的類固醇。 韋伯比現有的天文臺強大一百倍。
哈，好吧。 那麼您是韋伯的執行專案科學家。 這是否意味著您正在榨取所有價值？
嗯，專案科學家的職責之一是充當科學的良心。 這架望遠鏡主要由工程師和管理人員建造，但科學家也必須參與其中，以確保它能夠完成為其建造的科學任務。 現在，作為一名“執行”專案科學家，這意味著我擔心我們將如何使用這架望遠鏡——從選擇提出的觀測方案到制定觀測時間表，從操作望遠鏡到將資料傳回地球並消除所有儀器特徵。 任何需要完成科學任務的事情。
明白了。 那麼，為了清楚起見，您是執行專案科學家，但這並不意味著您選擇韋伯看向哪裡或誰可以使用它。
沒有“你認識誰”的內部渠道。 韋伯的大部分時間是透過競爭非常激烈的同行評審分配的。 對於第一輪通用觀測者計劃，我們徵集了一個由 200 名專家組成的小組——全部是虛擬的，因為新冠疫情——審查和評估來自世界各地的一千多份提案。 前四分之一的提案被選中。 這是雙盲匿名的：評審員不知道誰撰寫了提案，提案者也不知道誰評審了他們的提案。 我們希望根據想法的質量來判斷。 這意味著，例如，學術界以外的自學者有可能獲得韋伯的使用時間。 您可能住在一個不一定喜歡我們國家的國家，或者沒有為建造望遠鏡做出任何貢獻的國家，但在大多數情況下，您仍然可以使用它，對嗎？ 這是一個公開競爭，因為我們想要最好的想法。
但是，您如何權衡所有這些“最佳”想法，以確定哪些想法優先？ 這似乎是一項艱鉅的工作。
這就像解釋製造榨汁機與實際使用它來榨汁之間的區別，看看它在哪裡卡住了，然後修復它。
所以，首先是一些基本知識：韋伯在任何一天都可以指向天空三分之一的任何位置。 這種限制確保了遮陽罩始終保持定向，以便阻擋來自地球、太陽和月球的光線。 這種可觀測性視場會發生歲差，因此韋伯可以在一年內看到 100% 的天空。 知道這一點後，對於任何固定目標（就像一個不在太陽系周圍飛馳的目標），我們可以計算出韋伯每年可以觀察到它的哪些天數以及多少天。 太陽系平面中的目標每年大約有 60 天可用。 平面外的目標（直接朝向我們太陽系的北極或南極）全年可用。 中間黃道緯度的目標介於這些極端之間。
有些目標我們需要在特定時間進行觀測。 例如，系外行星在其恆星周圍軌道上的特定點，或一顆正在爆炸的恆星，或某些其他隨時間變化的現象。
還有一個天空有多暗的問題。 對於某些目標和波長，您是透過朝向太陽的熱塵埃還是太陽系外更冷的塵埃進行觀察，這非常重要。 因此，對於給定的目標，觀察它的天空亮度會隨季節變化。 對於某些觀測，我們並不真正在意。 但是，如果我們正在觀察非常微弱的物體，那麼我們希望安排在背景天空儘可能黑暗的時候進行觀測。
我們也不希望韋伯處於閒置狀態。 而且，我們需要將資料傳回地球。 在正常的科學執行期間，我們大約三分之一的時間與地球通訊，使用一個萬向天線，我們可以在觀測時指向地球。 資料速率還不錯——大約每秒 30 兆位元——但這比有線調變解調器慢，而且韋伯的儀器內有 57 兆畫素的記憶體。 我們透過要求使用者不要成為資料豬，並透過進行大量資料壓縮來管理這一點。
我們透過最佳化所有這些約束條件來安排望遠鏡的時間表，以生成一系列可接受的解決方案。 我們制定一個長期計劃，其中對於每次觀測，我們可能會分配一個月的時段，在此期間它很可能會進行。 然後每 7 到 10 天，我們將制定該周的詳細時間表——可以這麼說，就是出場順序。 這個過程是從哈勃望遠鏡改進而來的，哈勃望遠鏡也有很多約束條件，儘管韋伯的約束條件與哈勃望遠鏡的約束條件截然不同。
例如？
首先，對於哈勃望遠鏡來說，地球有一半時間擋在前面。 哈勃望遠鏡利用這段時間轉向下一個目標，並進行其他準備工作。 韋伯沒有這個問題，因為它在深空中。 這意味著韋伯無法像哈勃望遠鏡那樣將它的轉向隱藏在地球后面。 韋伯是一架大型望遠鏡，因此它的轉向速度比時鐘的分針還要慢。 因此，如果您想將其轉動 180 度，那將花費大部分時間。 因此，用性別化的語言來說，排程是經典的“旅行推銷員”問題——您如何最佳化一堆不同的“站點”以形成一條路線？ 我們將天空中彼此靠近的一系列訪問聯絡起來，以避免進行大型、耗時的轉向。
韋伯和哈勃望遠鏡的另一個重要區別在於排程和望遠鏡的維護，那就是動量積累。 事實證明，光子攜帶動量這一事實限制瞭望遠鏡的壽命。 因為推進劑是韋伯壽命的主要限制因素之一，而動量管理是韋伯推進劑的主要用途之一。
您能為我們解釋一下嗎？
撞擊韋伯遮陽罩的光子會施加扭矩。 現在，我們可以調整遮陽罩的方向以抵消扭矩——但我們希望將望遠鏡指向目標，而不是透過陽光完美地平衡遮陽罩。 因此，光子擊中遮陽罩，它們施加扭矩，韋伯的反應輪旋轉起來以抵消這種影響並保持望遠鏡指向。 但是反應輪只能旋轉這麼快。 它們偶爾必須釋放它們的角動量。 在低地球軌道上，哈勃望遠鏡只需將反應輪與地球磁場耦合即可減慢它們的速度。 這在深空中行不通，因此韋伯改為發射推進器以對抗反應輪的旋轉。 我們會定期進行這些動量釋放，每次都會消耗少量推進劑。 但是，正如您所提到的，在這個階段，我們有足夠的推進劑進入 2040 年代，因此韋伯的壽命更有可能受到元件壽命的限制…… 老實說，當這架望遠鏡還是一個剛剛睜開眼睛的新生兒時，就計劃它的養老院日子，感覺很奇怪！
那麼，您可能不喜歡下一個問題：假設一切都保持良好，並且推進劑不可避免地耗盡，韋伯將如何消亡？
哇，所以我們真的在談論這個東西的死亡。 我幾乎不想談論這個；感覺太早了，因為它是一架全新的望遠鏡。 這就像在談論嬰兒的死亡。 如果我們談論的是受推進劑限制，一旦這種資源耗盡，我們將無法控制指向以確保太陽能電池板始終看到太陽，而望遠鏡永遠不會看到太陽。 最終，太陽能電池板會陷入陰影足夠長的時間，以至於不太可能恢復。 我想那就像韋伯的最後一口氣。 那時我們就會知道它真的死了。 但是，再說一次，很難知道韋伯在它的暮年究竟會發生什麼，因為它還是個新生兒。
例如，我們已經對一顆微流星體的撞擊感到驚訝，它對主鏡片元件之一產生了超出預期的影響，我們正在積極研究此類事件可能對韋伯正在進行的光學效能意味著什麼。 微流星體是軌道上生活的一個事實，它將逐漸降低鏡片和遮陽罩的質量——我們已經過度設計並考慮到了這一點——但這是否是每五年發生一次的事件，只是我們運氣不好，或者我們是否會遭受比我們預期的更多的撞擊？ 我們正在努力弄清楚這一點。 當然，我仍然計劃進行一次長期而富有成果的任務。
的確。 您知道，看起來您和其他在韋伯工作的人，非常合理地，對它產生了情感上的依戀。 這是否使駕馭望遠鏡迄今為止短暫生命中的所有各種成敗時刻更具挑戰性？
嗯，對於韋伯除錯的每個不同階段，感覺都會發生變化。 在發射期間以及發射後的最初幾周，當我們進行重大部署時，有幾天關鍵的日子，我們知道我們可能會在那一天失去任務。 我們對這一點很坦誠；NASA 甚至製作了一個名為“邊緣上的 29 天”的影片。 我試圖以宿命論的態度對待那些日子：“如果它不起作用，我們就沒有任務了。” 隨著一個又一個部署成功，我意識到我正在經歷悲傷的各個階段。 主要是討價還價：“哦，請讓我們把二級鏡放出來，我甚至不需要主鏡展開它的兩個翼片！”
為什麼是二級鏡？
“二級”這個詞讓人覺得它不是那麼重要，或者只是一個備用。 但在望遠鏡中，二級只是意味著光線在主鏡之後第二次擊中它。 韋伯的主鏡是標誌性的，而且更大。 但那個 0.7 米的二級鏡片至關重要。 如果二級鏡片部署失敗，那麼從那面華麗的主鏡片反射的光線將飛向太空，永遠丟失，而不是被科學儀器收集。 即使主鏡片沒有完全展開，如果我們仍然有二級鏡片，我們也會有一架功能正常但效能下降的望遠鏡。 因此，當二級鏡片完美部署時，我意識到在過去 11 年裡，我一直在為這個東西承擔著多少擔憂——而且我的許多同事為此工作的時間更長。
值得慶幸的是，我們已經完成了那些成敗時刻，以及緊張的編排和測試的“除錯”階段。 望遠鏡已冷卻到其目標溫度，光學器件已對齊，科學儀器已準備就緒。 我們一直在瞭解太空望遠鏡的真實效能，並且透過第一批科學影像，我們將展示的不僅是韋伯正在工作，而且它完全有能力完成為其建造的所有驚人科學任務。 這是一種美妙的感覺。