這面鏡子，一個完美的炮銅灰色六邊形，垂直立在一個矮平臺上。它大約兩英寸厚，超過四英尺寬，是一塊精確雕刻的鈹板，在舊金山灣附近這個光學實驗室的昏暗光線下閃閃發光。我的嚮導，首席工程師傑伊·丹尼爾，在我小心翼翼地走到鏡子前看我的倒影時，注視著我的腳步。“它就像你的浴室鏡子，”丹尼爾笑著說。
然而，這面鏡子的另一面與家用梳妝鏡截然不同。這塊金屬板大部分是空心的，由機械師鑽孔，留下一個由狹窄肋條組成的複雜三角形支架。它的幾何精度令人歎為觀止，我忍住了觸控其中一個刀鋒般邊緣的衝動。丹尼爾說，剩下的拋光前層只有 2.5 毫米厚。從最初 250 公斤的重量開始，整面鏡子現在的重量僅為 21 公斤。這足夠輕，可以用火箭將 18 面這樣的鏡子吊入太空深處，在那裡，彎曲的鏡子將合而為一，形成有史以來發射的最膽大妄為的空間天文臺的核心。
這個天文臺，一個耗資 50 億美元的 NASA 任務（與歐洲和加拿大航天局合作），名為詹姆斯·韋布空間望遠鏡 (JWST)，計劃於 2014 年接替標誌性的哈勃空間望遠鏡。自 1990 年以來，哈勃望遠鏡一直在地球上空 570 公里處執行，為天文學家提供了遙遠宇宙星系以及離家較近的恆星誕生和死亡的最清晰景象。與哈勃望遠鏡一樣，韋布望遠鏡也承諾提供令人驚歎的宇宙影像，但具有更強的穿透力。天文學家將其設計為回溯宇宙的開端。它可能會發現大爆炸後最早出現的恆星爆炸，並揭示類似於我們銀河系的星系的起源。它還將深入觀察氣體和塵埃雲，孕育恆星及其行星家族的溫床。
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為了實現這些目標，韋布望遠鏡將與其前身截然不同。它的輕型鏡面跨度將超過 6.5 米，使其集光能力是哈勃望遠鏡 2.4 米寬鏡面的六倍。鍍金後，望遠鏡的 18 個六邊形面板將充當統一的表面——這一壯舉要求它們在人類頭髮寬度的萬分之一內對齊。美國國家航空航天局將把這隻蜂窩狀的眼睛發射到遠遠超出月球的環形軌道上。在途中，它將展開一個巨大的遮陽板，投下寒冷的陰影，水銀將降至 55 開爾文以下，以便望遠鏡能夠感知穿越宇宙 130 多億年的微弱光和熱。
所有這些都涉及前所未有的技術風險。由於望遠鏡的偏遠位置，如果出現問題，宇航員將無法修復它。與哈勃望遠鏡不同，哈勃望遠鏡在其執行的二十年中進行了多次維修和升級，但不會有重來，沒有太空梭飛行來糾正令人尷尬的光學缺陷，也沒有小部件來解除那個討厭的遮陽板的卡頓。更重要的是，為了到達其孤獨的軌道，探測器必須首先摺疊起來以適應阿麗亞娜 5 號火箭狹窄的貨艙。搭乘那次飛行嚴格限制瞭望遠鏡的重量和尺寸。然後，天文臺必須以芭蕾舞般的精確度自行展開，這是一個曲折的序列，最終兩個摺疊的鏡面部分像摺疊式餐桌的側面一樣升到位。
“我認為它就像摺紙望遠鏡，”位於馬里蘭州格林貝爾特的 NASA 戈達德太空飛行中心的觀測專案科學家馬克·克萊平說。“我們必須開啟它，對齊它，並使其在合適的溫度下工作。它不是設計成可維修的，所以一切都必須在當天正常工作。”
質量、尺寸和溫度限制以及完成這項任務所需的機械膽識迫使 NASA 在韋布望遠鏡上花費的資金遠遠超過天文學家的預期。一個國家專家組在 2001 年將空間天文臺列為天文學的首要任務，並呼籲預算為 10 億美元，但這在當時看來是很天真的。它不包括髮射和執行望遠鏡的成本，並且嚴重低估了設計的複雜性和耗時性。“[工程] 挑戰比最初預期的要大得多，”NASA 總部（位於華盛頓特區）的韋布專案科學家埃裡克·P·史密斯說。
史密斯指出，該專案的成本與其他開創性衛星的成本並沒有太大的出入。例如，錢德拉 X 射線天文臺（現在繞地球執行）和卡西尼號宇宙飛船（現在正在土星及其奇異的環和衛星中巡遊）在其完整的生命週期中分別花費了大約 40 億美元（以 2007 年美元計算）。“這就是建造大型旗艦任務的成本，”加利福尼亞州帕薩迪納市卡內基天文臺的艾倫·德雷斯勒說，他於 1995 年主持了關於哈勃望遠鏡繼任者的第一份報告。韋布望遠鏡“建造得非常有效率，而且沒有浪費錢，”他說。
一些沮喪的研究人員認為，天文臺吸走了 NASA 天文學預算中不成比例的份額，排擠了其他任務。“JWST 的機會成本非常高，並且將在整個十年中感受到，”加州理工學院的天體物理學傢什里尼瓦斯·庫爾卡尼說。他特別指出，探索引力波、高能宇宙以及其他恆星周圍類似地球的行星細節的先進探測器現在必須等到 2020 年代及以後。
即使是韋布望遠鏡的支持者也對這項鉅額投資是否會獲得回報，使其成為一項按廣告宣傳的那樣工作的任務感到不安。“這是一個非常具有挑戰性的專案，”加州大學聖克魯茲分校的長期哈勃望遠鏡使用者加斯·伊林沃思說。“即使以大多數 NASA 專案的標準來看，這也是一項艱鉅的任務。對於 JWST 上的大多數東西，如果它沒有展開，它就完蛋了。”
未知的國度
望遠鏡的大部分形狀變化將在其到達太陽系中的家園之前發生：一個稱為 L2 的引力平衡點，位於深空一百多萬公里處。在那裡，航天器將使用微小的燃料噴射來跟隨地球的步伐，在太陽周圍進行平緩、不受干擾的軌道執行。工程師認為它將有足夠的燃料持續十年左右，直到他們無法再操縱它為止。（NASA 的預算涵蓋五年的執行；再延長五年將增加 5 億美元。）
天文學家在 15 年前開始規劃衛星時就知道他們必須將衛星推進到遠處。哈勃望遠鏡沐浴在地球不受歡迎的光芒中，這意味著它必須在接近室溫的溫度下執行。因此，它對來自遙遠天體的微弱紅外光視而不見，而天文學家非常想看到這些天體：今天星系的最早祖先，散佈在可見宇宙的邊緣。它們的光在那時對我們的眼睛以及哈勃望遠鏡的相機來說是可見的。但是，隨著宇宙在隨後的數十億年中膨脹，光波已經延伸出可見光譜並進入紅外光譜。
“這就是新機遇存在的地方，”首席專案科學家約翰·C·馬瑟說，他是 NASA 戈達德的諾貝爾獎獲得者。“這是我們從未翻過的石頭，是我們從未看過的角落。我們不知道大爆炸後首先發光的物體是什麼，我們應該去找出答案。”
詹姆斯·韋布空間望遠鏡以阿波羅時代 NASA 的局長命名，它將使用紅外相機和其他探測器來感知星系的第一個碎片，因為它們組裝成我們今天看到的宏偉天體。這些胚胎物體可能存在於大爆炸後約 4 億年——僅佔宇宙當前年齡的 3%。它的相機可能會探測到更早期的恆星的火花，這些巨星的質量是我們太陽的數百倍。這些恆星會在短暫而輝煌的生命後爆炸，投射出仍在宇宙中傳播的光芒。
卡內基天文臺的德雷斯勒說：“我們將不遺餘力地建造一架比哈勃望遠鏡更具挑戰性的望遠鏡，以便能夠儘可能地回溯到我們能看到的最遠的地方。”“NASA 強烈希望建造第一架新型望遠鏡，而不是最後一架舊型望遠鏡。”
紅外光也打開了一扇通往離我們更近的天體的大門，使我們能夠穿透塵埃的遮罩，這些塵埃遮蔽了我們星系中恆星和行星的搖籃。目前，天文學家主要使用可見光譜的光來探測外星行星，因此他們只能看到系統中“清理”了氣體和岩石碎片盤的物體，而這些碎片盤創造了它們。但是，由於紅外光可以穿透塵埃，韋布望遠鏡將揭示這些創造行為的許多階段，幫助我們確定我們的太陽系是罕見的還是常見的。一些行星將從它們的恆星前面經過，讓目光敏銳的韋布望遠鏡有機會探測到它們大氣中的氣體。這是一個機會渺茫的機會，但望遠鏡可能真的會找到一顆大氣中氣體混合物不穩定的行星，例如氧氣、二氧化碳和甲烷——其他地方生命的第一個跡象。
鈹做得更好
其他空間望遠鏡已經使用由鈹製成的小鏡子，鈹是第二輕的金屬。而且，按照天文學標準，韋布望遠鏡 6.5 米的主鏡並不算巨大：現在地面上的幾架望遠鏡的鏡面尺寸從 8 米到 10 米不等，而且還有更大的鏡面正在設計中。但是，創造 18 個鈹段以在深空中形成一個光滑的表面，對光學技術人員來說是前所未有的挑戰。
位於加利福尼亞州伯克利市北部里士滿市的 Tinsley 光學公司（隸屬於 L-3 通訊公司）的工程師們欣然接受了這一挑戰。在我參觀之前——這是 Tinsley 首次允許記者參觀其在鏡面上的工作——丹尼爾要求我不要攜帶相機，並告知我有些問題是禁止提問的。製造望遠鏡鏡面競爭非常激烈；Tinsley 花費了數年時間和數百萬美元來完善 NASA 對韋布望遠鏡及其金屬眼睛的要求。
當我到達時，我在簡報中瞭解到鈹粉是有毒的。我必須簽署一份棄權書，以免在發生肺部不適時追究 Tinsley 的責任。丹尼爾向我保證，不用擔心：實驗室僅使用溼法工藝拋光鏡面，因此沒有灰塵漂浮在空氣中。我的肺可以放鬆了——儘管有時我戴著手術口罩，以防止打噴嚏汙染鈹。
在專案的早期，天文學家認為他們會使用超低膨脹玻璃，這種玻璃在溫度變化時能保持其形狀。但是，當光學師製作測試鏡面並將其浸入望遠鏡將要經歷的嚴寒中時，玻璃的變形方式可能會使望遠鏡失靈。相比之下，鈹在這些條件下堅硬且效能良好。
然而，這種改變使鏡面的生產計劃增加了一年，因為鈹的拋光時間更長。“在不留下應力的情況下製造鈹鏡面非常困難，”位於科羅拉多州博爾德市的 Ball Aerospace & Technologies 的光學工程師鮑勃·布朗說，該公司負責監督 Tinsley 在望遠鏡上的工作。布朗說，雕刻表面使剩餘的金屬想要向上彎曲。團隊必須透過用酸輕輕蝕刻鏡面或用鋒利的工具刮擦鏡面來去除那層受應力的金屬。這是一個乏味而精確的過程。
為了觀看鏡面，我穿上鞋套和工作服，以防止散落的鈹沾到我的鞋子和衣服上。丹尼爾和布朗護送我進入 Tinsley 專為韋布望遠鏡建造的工廠車間。八臺拋光機，每臺大約兩層樓高，佔據了房間的主要位置。一個鏡面部分安裝在一臺計算機控制的機器上。一個黑色的波紋管，形狀像手風琴，在機器人輕輕地在鏡面上來回移動時發出呻吟聲。連線到機器人尖端的是一個飛盤大小的拋光頭。計算機指示旋轉拋光機在每個點上工作多長時間，以去除精確數量的鈹。
一種看起來像稀釋牛奶的白色液體潤滑旋轉頭，並以恆定的流速從鏡面側面流出。當我問丹尼爾那是什麼時，他笑了。“這是一種拋光液，”他停頓了一下後說。“這是一種自制的混合物。它是非常具體規定的，並且是專有的。”布朗指著六邊形的邊緣。他說，在距邊界五毫米範圍內，鏡面仍然光滑，這是以前從未在如此大的表面上嘗試過的困難的拋光壯舉。如果邊緣寬兩倍，望遠鏡將減少 1.5% 的星光聚焦到清晰的影像中——從最微弱的物體中丟失大量資料。
光學師在 Tinsley 的計量實驗室中測量鏡面表面的精度，這是一個封閉的空間，對溫度和氣流有嚴格的控制。技術人員使用全息圖、紅外雷射和其他工具來測量鏡面表面在數十萬個點的高度。一個鏡面部分在拋光機和計量實驗室之間來回移動幾十次，以獲得 NASA 要求的形狀和光滑度。
接下來，每個部分都被空運到 Ball Aerospace，工程師們將其連線到其飛行硬體上——一個石墨複合材料結構，它閂鎖在六邊形的後部網格結構上，並將其固定在望遠鏡中。接下來，它被運到阿拉巴馬州亨茨維爾的 NASA 馬歇爾太空飛行中心，在一個由液氦冷卻至 25 開爾文的大型真空室中進行測試。在這些條件下，金屬會以細微的方式變形，光學師會以微觀細節繪製變形圖。然後，該部分返回加利福尼亞州，Tinsley 在那裡使用光學師的地圖來指導額外的細微拋光，這將消除鈹一旦受到太空寒冷而發生的任何變形。
這種緩慢的華爾茲舞自 2009 年 12 月以來一直在進行。截至 8 月，已完成一個鏡面部分，大約還有六個其他鏡面部分處於最後的拋光階段。Tinsley 計劃在 2011 年年中之前向 NASA 交付所有 18 個部分（外加三個備件）。
從哈勃望遠鏡中學習
當 Tinsley 的工程師們工作時，哈勃空間望遠鏡的巨大缺陷一直縈繞在他們的腦海中。由於工程師們忽視的測量錯誤，哈勃望遠鏡的鏡面被拋光成了錯誤的形狀。太空梭宇航員在發射三年後安裝了校正鏡，挽救了任務。這裡不存在這種選擇。
為了吸取哈勃望遠鏡的教訓，NASA 招募了幫助修復哈勃望遠鏡的工程師來從事這項新任務。透過研究哈勃望遠鏡模糊的影像來診斷其變形鏡面形狀的相同技術，將使韋布望遠鏡保持清晰的焦點。“當我們移動望遠鏡穿過天空時，某些熱梯度會開始形成，望遠鏡會輕輕地漂移出形狀，”位於巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所所長馬特·芒廷說，該研究所將監督其執行。但與任何其他空間天文臺不同，韋布望遠鏡將配備一個主動的、可調節的鏡面來補償這些變化。
首先，望遠鏡儀器中的小透鏡將建立像困擾哈勃望遠鏡那樣的失焦影像。在分析這些圖片後，任務控制中心將傳送無線電訊號，以啟用每個鏡面部分背面的七個微型電機。每個電機都在 Ball Aerospace 製造，可以將鏡面推或拉，增量小於 10 奈米。這使天文學家可以控制每個部分的曲率及其相對於相鄰六邊形的位置。任務控制中心將執行該程式，並大約每兩週重新校準一次鏡面。
當然，望遠鏡首先需要正確展開自身。特別是，兩個摺疊的“葉片”（每個葉片承載三個鏡面部分）必須正確擺動以形成整個表面。一個 75 釐米寬的二級鏡也必須閂鎖到其棲息處，在一個蜘蛛狀三腳架上，該三腳架位於主鏡上方七米處，以將光線反射回穿過主鏡的中心，併到達記錄資料的儀器。
但是，真正讓觀察者倒吸一口涼氣的轉變是巨大的遮陽板的開啟，它寬 11 米，長 19 米。如果它不工作，太陽的熱量將使儀器對它們的大多數目標視而不見。在一個影片模擬中，遮陽板像一疊五層糖果包裝紙一樣展開，每層的表面積都相當於一個排球場。NASA 的主要承包商諾斯羅普·格魯曼公司（位於加利福尼亞州雷東多海灘）設計了帶有巨型展開天線的衛星——以及政府所謂的太空黑色行動，據 NASA 官員稱。但是，韋布望遠鏡將是迄今為止嘗試過的機械複雜度最高的民用任務。
更增加壓力的是，沒有足夠大的冷真空室可以在發射前測試整個遮陽板。為了防止成本進一步增加，NASA 採取了風險更高的程式，該程式測試天文臺的關鍵部件——但從不測試整個部件。“這就是快車道上的生活，”芒廷說。“我們將不得不採取額外的信仰飛躍。”
目前，該任務的科學家們專注於建造望遠鏡及其儀器。但他們也忍不住展望 2014 年的發射。“在某種程度上，這是我們這一代人對文明的貢獻，”NASA 戈達德的韋布望遠鏡光學元件經理李·範伯格說。“它不會永遠存在，但它將存在於太空中。未來的世代可能會用大型望遠鏡找到它。”也許有一天，這面金色的鏡子——佈滿太空塵埃並受到輻射侵蝕——將被拖回地球，作為我們第一次掌握宇宙過去時代的紀念碑。