在位於馬里蘭州格林貝爾特的 NASA 戈達德太空飛行中心，該機構有史以來最大的科學專案終於初見端倪。
在一個體育館大小的潔淨室裡，雷射制導機械臂在芥末黃色的腳手架上佔據主導地位，身穿兔子服的技術人員已經完成了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的主鏡，這是一個耗資 90 億美元的軌道天文臺，計劃於 2018 年發射升空，由 NASA 與歐洲和加拿大航天局合作建造。在機械臂的抓取和技術人員的引導下，最後一塊由 18 個輕質鍍金鈹製成的六邊形鏡片已經安裝到位，標誌著該天文臺歷時數十年的發射之路迎來了迄今為止最切實的里程碑。
每塊鏡片都有一張咖啡桌那麼大，但中空設計使其重量僅為 20 公斤。整個鏡片的邊到邊跨度為 6.5 米。在與仍在建造中的望遠鏡的其他部分結合後，它最終將被髮射到距地球約 150 萬公里的深空目的地。在那裡，在被稱為 L2 的引力靜止點，韋伯將開始天文學家所說的對宇宙的革命性研究。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
鏡面朝向天空，凹面朝上，在一個被稱為背板的碳纖維支撐網中，看起來像昆蟲巨大、不眨眼的複眼。對於卡內基科學研究所的資深天文學家艾倫·德雷斯勒來說，韋伯完成的鏡片讓人聯想到其他的解剖結構。“鏡片是望遠鏡的心臟，”他說。“完成韋伯的鏡片就像聽到了這個宏偉生物的第一次心跳，它將帶領我們回到宇宙誕生之初。”
這聽起來可能有些誇張，但是，宇宙確實是一個充滿戲劇性的地方，德雷斯勒已經等待這一刻超過二十年了。在 20 世紀 90 年代初，在 NASA 哈勃太空望遠鏡發射後，他主持了一個有影響力的委員會，該委員會建議該機構的下一個偉大的天文臺應該做哈勃望遠鏡無法做到的事情——回溯到幾乎時間的開端，回到“第一道光”，那是 130 多億年前，恆星和星系首次凝聚並結束了宇宙的原始黑暗時代。天文學家可以透過見證第一道光，以前所未有的細節重溯宇宙的演化歷程，觀察星系的形成和增長、隨後幾代恆星的出現以及行星系統的誕生。現在，韋伯望遠鏡終於準備好做到這一點了。
為了看到宇宙中第一道光被點亮時的景象，望遠鏡需要一面比哈勃望遠鏡 2.4 米鍍銀玻璃盤更大的鏡片。它還必須非常冷。當來自那些最初發光物體的可見光穿過膨脹的宇宙時，它像太妃糖一樣被拉伸，變成幽靈般的紅外光芒，只有被冷卻到接近絕對零度（宇宙中最冷的溫度）的東西才能看到——確切地說是感受到。要理解瞥見這些遙遠星系有多麼困難，請想象一下仰望月球，試圖找到其表面上兒童夜燈的微弱光芒。韋伯的規劃者表示，在尋找第一道光時，它將嘗試看到比這暗淡 20 倍的星系。
隨著韋伯越來越接近開啟太空科學的新時代，人們可能會想知道它從何而來，它到底會做什麼，以及它的任務完成後，可能會發生什麼。當天文臺巨型鏡片的最後幾塊鏡片被安裝到位時，我參觀了戈達德，與最瞭解韋伯的人們——那些科學家和工程師們進行了交談，他們透過漫長、坎坷和多代人的孕育，將它帶入了現實。
錯綜複雜的韋伯
韋伯最傑出的科學擁護者可以說是約翰·馬瑟，他是戈達德一位身材修長、說話輕聲細語的天體物理學家，穿著樸素的鞋子，露出憨厚的笑容。他談論韋伯就像一位祖父般的童子軍領隊談論生火或打結一樣——他的措辭中有一種舒緩的、近乎純樸的耐心，他喜歡用簡短、簡單的總結來理清複雜的細節。他擁有諾貝爾物理學獎，這也沒有什麼壞處，他因對宇宙微波背景（大爆炸的微弱餘輝，構成了宇宙的第一張和最早的嬰兒照片）的開創性研究而獲獎。
馬瑟在 1995 年成為韋伯的高階專案科學家時還不到 50 歲，而今天已接近 70 歲。在所有這些時間裡，他一直在努力將下一組照片放入他的宇宙相簿中，即望遠鏡承諾的來自神秘的第一道光時代的影像。沒有人真正知道第一批恆星是什麼樣子的，或者宇宙的第一個發光物體是否甚至是恆星。相反，馬瑟說，第一道光可能來自超級黑洞，它們是邋遢的食客。這些位於大多數星系中心的數十億太陽質量的龐然大物，一定是透過吞噬原始宇宙中大量的氣體而變得臃腫起來，在其張開的大嘴周圍形成了熾熱的吸積盤，就像競技食客下巴上的燒烤醬一樣。宇宙的第一道光可能來自黑洞餐桌上的發光碎屑，如果是這樣，韋伯可以告訴我們。
然而，如今，馬瑟最興奮的是韋伯可以揭示我們宇宙中近處的、當代的角落，而不是遙遠的過去。天文臺敏銳的紅外視覺可以穿透塵埃籠罩的分子云和星周盤的中心，觀察世界的成長，就像子宮中的胚胎一樣。他說，韋伯的巨型鏡片足夠大，可以窺探水蒸氣的跡象——可能是海洋的證據——在一些位置有利的小型、可能只是岩石和類地行星上，這些行星圍繞著我們最近的鄰近恆星。“從我六七歲起，我就一直在想‘我們是如何來到這裡的？’但我找不到答案，”馬瑟說。“我們對原始宇宙一無所知。我們不知道行星是否是太陽獨有的還是普遍存在的。我們仍然不知道生命是獨有的還是普遍存在的。韋伯可以致力於解決沿途的每一步。”
然而，儘管韋伯承諾帶來所有變革性的科學，但它的發展一直受到困難的困擾。最初預計耗資不到數十億美元，最早於 2011 年發射，但反覆的進度延誤和預算超支很快使韋伯成為 NASA 最麻煩和最令人擔憂的專案之一。由於其他規模較小的 NASA 天體物理學專案為了彌補韋伯不斷膨脹的成本和延誤而遭受延期和取消，該天文臺贏得了“吞噬天文學的望遠鏡”的惡名。天文學家們懷疑，以一位帶領該機構度過阿波羅鼎盛時期的 NASA 局長命名的韋伯，是否真的會升空，如果升空，其不斷膨脹的成本是否會使其成為該機構偉大的天文臺計劃的最後一口氣。
麻煩在 2010 年和 2011 年達到頂峰，當時受夠了的國會議員威脅要完全取消韋伯的資金。由於一項獨立審查以及隨後的全專案“重新規劃”，韋伯獲得了更多資金並倖存下來。在隨後的幾年裡，韋伯一直控制在新預算範圍內，並按計劃於 2018 年 10 月發射。“我們經歷了一次瀕死體驗，”馬瑟說。“我們不得不告訴國會預算不夠，他們要麼殺死韋伯，要麼使其正確。從我的角度來看，奇蹟發生了。”
早期麻煩的部分原因是韋伯依賴於全新的技術——例如其大型低溫鏡——這些技術的開發註定要比大多數人預期的要長。“我們很快就認識到，[製造韋伯]可能需要大約 20 年，”加州大學聖克魯茲分校的天體物理學家加斯·伊林沃思說，他一直深度參與望遠鏡的規劃。“但 30 年——對於我們這些四十歲出頭的人來說，有點太長了！”
製造鏡片
與馬瑟和伊林沃思這樣的老前輩相比，負責 NASA 韋伯所有光學元件的戈達德工程師李·範伯格是該專案中的相對新人——也許他滿頭濃密的黑髮，沒有一絲灰白，就最好地證明了這一點。他於 2001 年加入，當時他的女兒還是個蹣跚學步的孩子。現在，她即將高中畢業，當望遠鏡發射時，她幾乎就要大學畢業了。“經過這麼多年，我的孩子們感覺望遠鏡也是他們的父母，我們的家庭包括一個名叫韋伯的傢伙！”他開玩笑說。
範伯格的工作之一是弄清楚如何製造適合發射到太空的韋伯 6.5 米鏡片。為了裝入火箭，巨型鏡片必須是分段的且可收納的，以便可以像摺紙一樣摺疊和展開。儘管它將比哈勃望遠鏡的鏡片大近三倍，收集面積幾乎是哈勃望遠鏡的七倍，但它的重量必須輕得多。玻璃相對容易加工，但也很重，並且對低溫溫度的耐受性不強，因此範伯格和他的同事選擇了鈹鏡——這是使整個天文臺變得輕巧的幾項創新之一，其總質量不到哈勃望遠鏡的一半。在某些情況下，韋伯的建造者不得不開發新技術，只是為了確認其他新技術有效，例如用於監測低溫罐內鏡片的耐寒光學系統，或者用於測量和引導拋光過程中鏡片表面精確雕刻的雷射計量平臺。
最終，在鏡片上投入瞭如此多的精力，以至於它們的完成時間提前了。經過一個生產過程，它們在美國各地專門的實驗室之間曲折地穿梭，這些實驗室分散在八個不同的州，過去兩年裡，這些鏡片一直存放在戈達德，等待其他滯後的元件完成，這些元件是組裝它們所必需的。不過，最終，韋伯心臟的所有元素都彙集在一起了。“當我開始從事這項工作時，我被告知這將是一場馬拉松，而不是短跑，但我覺得我們剛剛衝刺了一場馬拉松，”範伯格說。“主鏡的組裝是一個巨大的里程碑，真正表明我們已經克服了迄今為止遇到的每一個可能的障礙。”
即便如此，韋伯在到達發射臺和 L2 之前還有很長的路要走。以前沒有人建造過如此巨大的太空望遠鏡，更不用說一個旨在在如此寒冷的溫度下在如此遠離地球的地方部署和執行的望遠鏡了。今天，最令人擔憂的可能是韋伯的遮陽罩，這是一個由五層網球場大小的超薄聚醯亞胺薄膜製成的塑膠遮陽傘，旨在阻擋陽光並將望遠鏡冷卻到其 50 開爾文的工作溫度——大約是冥王星的平均表面溫度。與天文臺的鏡片一樣，遮陽罩也將被收納起來以進行發射，然後在太空中遠端釋放。遮陽罩的展開將是一個名副其實的高度緊張的過程，其中一個極其複雜的執行器、滑輪和鋼絲系統將每層薄膜拉緊並展平，以消除材料中可能破壞任務的任何褶皺或撕裂。許多韋伯老手將遮陽罩的展開比作從飛機上跳傘，傘包綁在你的背上，而傘包是別人打包的——你怎麼能真正知道它會開啟呢？
在這種情況下，“別人”是航空航天公司諾斯羅普·格魯曼公司，它是 NASA 韋伯的主要承包商。在與戈達德隔著整個國家的加利福尼亞州雷東多海灘，該公司的技術人員正在組裝和測試遮陽罩——特別關注其包裝和展開。最終，望遠鏡的所有部件都將透過卡車、鐵路和航空運輸被運到雷東多海灘進行組裝。然後，韋伯將被裝載到駁船上，駁船將透過巴拿馬運河，到達南美洲東北海岸，在那裡，它將從法屬蓋亞那的航天發射場搭乘歐洲航天局提供的阿麗亞娜 5 號火箭發射升空。
隨著其完成的硬體最終彙集在一起，為最後的發射衝刺做準備，關於望遠鏡及其建造的一切都顯得無比宏偉，甚至有些滑稽地不成比例。除了它的誤差容限。哈勃望遠鏡是 NASA 上一次在一個專案中嘗試如此多偉大的技術飛躍，但在其主鏡被發現拋光不正確後，它幾乎在抵達時就宣告死亡。宇航員乘坐太空梭前往哈勃望遠鏡進行維修，隨後的維修任務反覆升級瞭望遠鏡出現故障的硬體。但是，當韋伯發射升空時，將沒有 B 計劃——望遠鏡的大部分成本都來自其建造者必須進行的測試，以證明其所有新技術都將按預期工作。
它會工作嗎？
“你想知道為什麼韋伯花費如此之多嗎？”邁克·門澤爾在我們從俯瞰潔淨室的觀景區凝視鏡片時問道。“我來告訴你。”
門澤爾是 NASA 韋伯的系統工程師，自 1997 年以來一直從事望遠鏡的工作。如果你不知道他是一名工程師，你可以透過他梳理得一絲不苟的灰髮、永遠高挑的眉毛以及他從濃密、修剪整齊的鬍鬚後面說出的技術俏皮話來猜到。除了韋伯的總體專案經理、戈達德的比爾·奧克斯之外，門澤爾是 NASA 官員，負責望遠鏡設計和測試的方方面面，直至整個天文臺的每個螺栓、電路和電纜。
他帶領我們離開潔淨室，穿過一系列走廊和門。我們路過一個游泳池大小的圓柱體，它被盤繞的管道和蒸汽滾滾的閥門所環繞。這是一個模擬深空條件的低溫真空室，望遠鏡的科學儀器正在裡面進行漫長的測試。我們路過其他房間，這些房間排列著振動的“振動臺”和巨大的氣喇叭，在這些腔室中，組裝好的鏡片、儀器和其他望遠鏡元件將受到模擬火箭發射升空的劇烈 G 力和聲波衝擊。
我們終於到達了門澤爾的辦公室，在那裡他打開了桌面電腦上的一個檔案，並在附近的平板電腦上顯示出來。螢幕顯示一塊鈹鏡片靜止地放置在振動臺上，以頭髮絲般的公差嵌入望遠鏡背板的碳複合材料執行器和電線纏繞的巢穴中。安裝在鏡片背面的執行器將在太空中使用，以奈米級精度調整鏡片的位置。
門澤爾說，選擇鈹作為鏡片材料不僅是因為它重量輕，還因為它在低溫溫度下幾乎不會變形。儘管如此，變形無法完全消除，因此每塊鏡片都是經過精心拋光工藝的產物，以精確抵消變形——技術人員冷凍鏡片，測量變形，將其恢復到室溫，然後拋光表面以消除變形。如果在“低溫”下，鏡片表面的某一部分形成奈米級的山丘，那麼在室溫下，山丘將被拋光成尺寸完全相同的山谷。當再次冷卻到接近絕對零度時，山谷將變形為平原，鏡片將變得平坦。該工藝使咖啡桌大小的鏡片表面的平均表面誤差僅為 25 奈米——相當於一張筆記本紙厚度的四千分之一。如果放大到美國大陸的大小，一塊冷凍鏡片的最高地形特徵將略小於 8 釐米高。
“所以這個東西需要將近五年的時間來建造，並且可以穩定在 25 奈米，”門澤爾說。“然後我把它交給我們的結構分析師，這就是她對它所做的事情。”門澤爾平板電腦上的影像開始移動。振動臺啟動，鏡片開始劇烈地來回振盪，直到它看起來像一塊運動模糊的菠蘿果凍。我注意到我正在咬緊牙關，彷彿它們會因為觀看而從我的頭骨中震動出來。
門澤爾笑了笑。“如果她不這樣做，發射載具就會這樣做。其中一些元件在這裡感受到了 11 個 G 力，但當一切結束後，它們和鏡片都和以前一樣好。進入太空簡直是地獄。與我們將哈勃望遠鏡建造得像磚砌廁所一樣堅固並按原樣發射到軌道不同，在這裡，我們建造了一架漂亮的望遠鏡，並證明它在地面上很棒，然後我們將它全部摺疊起來，發射它並在深空中重新組裝它。這就是為什麼它如此昂貴。”
然而，發射並不是門澤爾擔心的——他擔心的是展開。他在腦海中無數次地演練了整個過程。發射半小時後，在距離地球 10,000 公里的地方，望遠鏡與助推器分離。它展開太陽能電池陣列和通訊天線，在前往月球的途中，並在發射後兩天半經過月球。在接下來的兩週裡，韋伯緩慢地展開其遮陽罩和鏡片，一系列動作如此精細地編排，以至於它們似乎值得一場交響曲。
“一旦我們經過月球，我的血壓就會飆升，”門澤爾說。“我們都開玩笑說好奇號漫遊車前往火星，以及其團隊談論的‘大氣層進入、下降和著陸的 7 分鐘恐怖’。嗯，我們有兩週的恐怖，因為我們看著事情展開。如果在兩週後一切順利，那我就迷失自我，開始狂歡了。”
發射倒計時
對於門澤爾來說，韋伯看到第一道光將實現他童年的夢想，並使多年的壓力變得值得。“當我還是個孩子的時候，我想成為一名天文學家並建造自己的望遠鏡，當時世界上最大的望遠鏡[在當時]就在我長大的地方附近，帕洛瑪山上的海爾望遠鏡。它的鏡片直徑為 5 米，重量為 50 萬公斤。它是個龐然大物。嗯，韋伯的鏡片比它更大，而且重量只有 6,620 公斤。對不起，6,338 公斤——它實際上是超輕的！而且我們正在將其送往月球之外，以觀察宇宙中最初出現的事物。”
韋伯的任務計劃僅持續五年，但門澤爾和馬瑟確信，透過仔細管理天文臺的推進劑車載儲罐（用於穩定其在 L2 點的位置），他們可以使韋伯執行至少十年。門澤爾說，在微隕石和宇宙射線的持續轟擊下，儀器和其他硬體的逐漸退化更有可能結束任務，而不是其他任何事情。部分基於戈達德高階工程師弗蘭克·塞波利納（他是衛星在軌維修的先驅）的遊說，NASA 在韋伯的對接環上增加了一些功能，以適應與宇航員或更可能是機器人的會合，但目前此類任務似乎風險太大、成本太高且為時過早，不值得認真考慮。
無論是否有維修任務，如果韋伯能夠存活超過十年，最終其在 L2 點的軌道將短暫地、命運般地與地球的陰影對齊，切斷天文臺的太陽能電源幾個小時——足以使其車載電池耗盡並可能失效。
NASA 已經在研究韋伯之後的下一步，即一個更適度的哈勃大小的天文臺，稱為 WFIRST-AFTA（別問為什麼），旨在研究暗能量和其他行星系統。如果一切按計劃進行，WFIRST 最早可能在 2024 年發射，成本僅為韋伯高昂成本的四分之一。除此之外，天文學家已經在制定繼 WFIRST 之後8 到 16 米分段寬頻望遠鏡的計劃——儘管這看起來很奇特，但馬瑟、門澤爾和其他專家認為，利用韋伯現在成熟的技術可以使建造這個龐然大物的成本不超過韋伯本身。這樣的望遠鏡可以在附近數百或數千顆恆星周圍尋找地球的雙胞胎，尋找擁有海洋、雲層、大陸，甚至可能還有生命的世界，這些生命也透過他們自己的太空望遠鏡回望著我們。
從這個角度來看，凝視著潔淨室無菌環境中等待整合和發射的韋伯已完成的主鏡，實際上是在瞥見未來的開端，地平線上黎明前的第一縷微弱的光芒。“韋伯的鏡片建立在巨人的肩膀上，”韋伯的望遠鏡科學家、大學天文研究協會主席馬特·芒廷說。“組裝鏡片是伽利略和牛頓望遠鏡開啟的四個世紀進步的頂峰。我們現在即將發射人類有史以來建造的最大的太空天文臺。對於我們這些製造望遠鏡的人來說，唯一比這更令人謙卑和興奮的是想象接下來會發生什麼。”