如釋重負，因為風險同樣巨大。美國東部時間上午 7:20，搭載著有史以來最大、最雄心勃勃的太空望遠鏡的火箭在法屬蓋亞那的發射臺升空，巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的任務控制中心成員爆發出歡呼聲。
懸念並未完全結束。發射後半小時，望遠鏡仍然需要與主機火箭分離，之後必須展開太陽能電池板，為它的旅程提供部分動力。美國宇航局發言人在給《大眾科學》的一份宣告中表示，只有在第一次部署被證明成功後，“我們才知道我們有一個任務。”
天文學家在火箭上寄託的不僅僅是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST)。美國宇航局龐大的太空科學投資組合的生存能力也面臨風險，如果不是天文學的未來本身的話。作為哈勃太空望遠鏡 (HST) 的繼任者，JWST 是那些一代人一次的科學專案之一，這些專案可能會耗盡政府資助者的耐心，以及負責機構的信譽，但也將在未來幾十年定義一個領域——甚至可能永遠重新定義它。
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今天世界的發現和想法的影響深遠的故事的未來。
美國宇航局局長比爾·納爾遜在發射後的講話中說：“今天是偉大的一天——不僅對美國和我們的歐洲和加拿大合作伙伴來說是偉大的一天，而且對地球來說也是偉大的一天……[JWST] 將帶我們回到宇宙的最初。” “我們知道，巨大的回報伴隨著巨大的風險。這就是這項事業的全部意義所在，這就是我們敢於探索的原因。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正是這種探索的一部分。”
當 JWST 與火箭的上級分離時，一段影片直播顯示，現在獨立的航天器在陽光下閃耀，捕捉到了觀測站的最後一次特寫鏡頭，之後它將開始探索宇宙黑暗面紗的征程，遠離地球，變得遙不可及。“當我們看得更遠、挖掘得更深或測量得更精確時，我們註定會發現一些奇妙的東西，”太空望遠鏡科學研究所所長肯·森巴赫說。“今天，我們與地面上的望遠鏡告別，我們睜開了眼睛看向宇宙。”
當 JWST 的太陽能電池板展開的那一刻，任務的控制權正式轉移到巴爾的摩。太空望遠鏡科學研究所 JWST 任務辦公室負責人馬西莫·斯蒂亞韋利說，“容易的部分已經完成，現在艱難的部分開始了。” 然後他笑了。“這是有史以來最好的聖誕節。”
回到最初
甚至在 HST 於 1990 年 4 月發射之前，人們就已經開始討論後來成為 JWST 的望遠鏡。透過繞地球軌道執行，HST 將擁有不受地球大氣層特有的光學畸變影響的視線。因此，與任何地面望遠鏡相比，它都能夠看得更遠（並且，考慮到光速是有限的，可以追溯到更久遠的時間）。
即便如此，HST 主要還是在可見光波長範圍內進行觀測——電磁頻譜中人類肉眼可以探測到的極小一部分。下一代太空望遠鏡（即當時的未來 JWST）將以紅外線觀測宇宙，宇宙膨脹會將 130 多億年前發出的可見光拉伸或紅移到紅外線範圍內。
在今天的發射之前，大部分注意力都集中在 JWST 比 HST 更深入過去的能力上，HST 觀測到的嬰兒星系最早可追溯到大爆炸後約 4 億年。然而，在宇宙歷史的那個時刻，物質已經經歷了數代演化——星系合併和撕裂，超新星向太空播撒了（地球上的智慧生物有一天會稱之為）元素週期表的新元素。
然而，JWST 將能夠追溯到大爆炸後 1 億年的過去，那時大多數物質僅由原始元素組成，並且剛剛開始聚結成恆星和星系。從 JWST 誕生之初，主要目標就是一睹這些現象——宇宙中的第一個發光物體。
尋找生命的新探索
JWST 將探測的另一個主要科學前沿是受關注較少，但可能在我們對宇宙的理解中證明同樣意義深遠的前沿。這是一種額外的收穫，是 1980 年代的遠見卓識者幾乎無法預見的研究課題：系外行星。
關於圍繞太陽以外的恆星執行的行星的證據最早出現在 20 世紀 90 年代（這一發現為其一些發現者贏得了 2019 年諾貝爾物理學獎的一部分）。從那時起，天文學家發現了數千顆系外行星，未來幾年肯定會有數萬顆系外行星湧入他們的目錄。然而，幾乎所有這些發現都依賴於間接證據：行星凌日時恆星有規律的變亮和變暗，或者附近世界引力拉力引起的恆星軸線的擺動。
JWST 應該提供更直接的證據：對行星本身的觀測，這是隻有少數其他裝置才能完成的壯舉——儘管沒有一個能像這架新型太空望遠鏡那樣承諾提供清晰度。在可見光下，恆星的亮度壓倒了任何附近的物體，但透過在紅外線下觀察，JWST 將降低對比度，從而使行星可以從背景恆星光芒中彈出，成為微小的光點。對比度的降低將進一步幫助觀測者探測少數幾個世界的行星大氣層，尋找潛在的生物特徵，例如氧氣（地球上由光合植物產生），以及宜居性的示蹤劑，例如水和二氧化碳。
簡而言之：JWST 提供了一些機會，無論多麼渺茫，來回答一個永恆的問題：我們是孤獨的嗎？
德克薩斯 A&M 大學天文學家、美國天文學會前副主席尼古拉斯·桑採夫預測說：“這將是重大發現的所在。” “宇宙中還有其他生命嗎？如果是這樣，那將是有史以來科學領域最重大的發現。”
瀕死體驗
但首先，JWST 必須，你知道，工作。
當 HST 於 1990 年發射時，JWST 專案的許多成員尚未出生。但接下來發生的事情籠罩著他們，就像困擾著美國宇航局的所有人一樣。就像一些“過去的使命幽靈”一樣，觀測站早期的一個可怕事件拖著並搖晃著它的鎖鏈，沿著太空望遠鏡科學研究所——HST 的運營總部，現在也是 JWST 的任務控制中心——原本原始的走廊延伸。來自 HST 的初始觀測結果失焦，工程師很快意識到它的鏡片拋光不當，導致了災難性的宇宙近視和廣泛的公眾嘲笑。儘管太空行走的宇航員後來修復了鏡片（花費了鉅額資金），但這場慘敗是“你只有一項工作”的典型例子，有可能使 HST 幾乎毫無用處，並使美國宇航局容易受到近乎扼殺的國會監督。
在 JWST 的案例中，類似重大的挫折——技術、政治、社會——先於發射發生。最初的預算估計是一個模糊的 15 億到 30 億美元，其同樣模糊的發射日期是，哦，我們假設是 2010 年。然而，到截止日期時，不僅成本上升到 50 億美元，而且望遠鏡的大部分仍在圖紙上。JWST 無數基礎新技術的開發被證明比規劃者想象的更難處理。僅僅一年後，預算就膨脹了 60%，達到 80 億美元——此時國會介入，為 JWST 設定了成本上限：80 億美元或破產。
國會敢於取消如此雄心勃勃的科學任務嗎？是的，他們會——而且曾經這樣做過。1993 年 10 月，比爾·克林頓總統簽署了一項法案，終止了超導超級對撞機，這將是世界上最強大的粒子加速器。別管該專案已經花費了 20 億美元（按 2021 年美元計算為 31.5 億美元）。別管地下鑽探已經清理了預計 51 英里隧道中的近 19 英里。別管粒子加速器承諾帶來變革性的科學突破。國會認為該專案的預算失控。取消計劃在美國粒子物理學界的心臟上開了一個洞，即使在三十年後，該領域仍未完全恢復。
到 2018 年，JWST 專案既在與國會上限調情，又將發射日期越推越遠。正如政府問責辦公室後來的一項調查所揭示的那樣，幕後技術問題正在成倍增加：JWST 的主要承包商諾斯羅普·格魯曼公司的工人們發現，不當溶劑的應用損壞了觀測站的推進閥。一個接線錯誤摧毀了壓力感測器。在振動測試期間，數十個螺栓從航天器上飛脫。
預算又增加了 8 億美元，正式地
超過了國會上限。發射日期推遲到 2021 年。
甚至望遠鏡的名稱也引起了爭議。2002 年，時任美國宇航局局長肖恩·奧基夫宣佈，下一代太空望遠鏡此後將被稱為詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。用著名科學家的名字替換望遠鏡和天文臺的通用名稱是慣例。然而，奧基夫違反了兩項規範：他對榮譽人選的選擇基本上是單方面決定的，而且這位榮譽人選不是科學家，而是一位行政管理人員同事——事實上，是奧基夫的前任之一。詹姆斯·E·韋伯曾在 1961 年至 1968 年的登月競賽鼎盛時期擔任美國宇航局局長。
然而，近年來，該任務的名稱又增加了一層爭議：韋伯的內心深處是誰。韋伯在 20 世紀 40 年代末和 50 年代初擔任國務院二號人物，然後擔任美國宇航局局長，這與歷史學家現在所稱的“薰衣草恐慌”——在這些和其他聯邦機構中搜尋和清洗 LGBTQ 僱員——相吻合。近年來的調查發現了關於韋伯參與的具體證據很少，但官僚和偏執之間的聯絡足夠緊密，以至於一些天文學家堅持僅將該專案稱為“JWST”，而從不稱為“韋伯”。
它會工作嗎？
在 JWST 通往發射臺的道路上，小小的延誤一直在困擾著它。最近幾周，發射日期一再推遲，首先是因為望遠鏡意外受到晃動（檢查顯示沒有損壞），然後是因為連線望遠鏡與地面系統的通訊電纜存在缺陷。就在上週二，法屬蓋亞那庫魯發射場的高風預報將發射時間從聖誕節前夜推遲到聖誕節。
在接下來的一個月裡，JWST 仍將不得不執行近 350 次潛在的致命機動——或美國宇航局術語中的“單點故障”——同時為科學觀測做準備。也許最棘手的是鏡片的展開——或者更準確地說，是鏡片：18 塊六邊形鍍金板，呈蜂窩狀排列。部分原因是為了使望遠鏡不會太重而無法發射，工程師們選擇用相對輕質的元素鈹來製造鏡片。但鏡片的重量並不是最困難的設計挑戰。而是它們的尺寸。
當鏡片呈現最終配置時，它們的總跨度將超過 21 英尺（相比之下，HST 的直徑為 8 英尺），對於火箭的整流罩來說太寬了。因此，工程師們開發了一種巧妙的解決方案：將蜂窩狀結構分成幾部分，這些部分可以摺疊起來，以便它們可以安裝在地球上的火箭內部，然後在太空中像摺紙一樣展開。
如果一切順利，發射後約 30 天，JWST 將到達其最終的停泊地（可以這麼說）：天文學家稱之為第二個拉格朗日點或 L2 的空間區域，這是 18 世紀義大利-法國數學家約瑟夫-路易斯·拉格朗日確定的太陽系中的五個位置之一，這些位置將在繞太陽執行的軌道上與地球保持同步。在拉格朗日點，地球和太陽之間的引力平衡起著穩定作用，從而使航天器能夠節省燃料。（其他佔據 L2 的天文專案包括威爾金森微波各向異性探測器以及赫歇爾和普朗克空間天文臺。）
然而，就 JWST 而言，L2 還有一個進一步的優勢：它位於地球背對太陽的一側，這個位置不僅減少了光照，還減少了熱量——這對於對紅外波長敏感的儀器來說至關重要。即便如此，JWST 仍然需要熱保護，以便它可以逐漸冷卻——在幾個月的時間裡——降至其工作溫度，僅比絕對零度高几十華氏度。在其航行的第一週，望遠鏡將展開一個網球場大小的五層遮陽板（SPF 一百萬），以將其精密的 оптику 和儀器與所有潛在的熱汙染物隔離開來。在遮陽板的望遠鏡側，溫度將接近零下 400 華氏度。在另一側，溫度可能高達 200 華氏度或更高。
然而，儘管 L2 有諸多優勢，但也存在一個明顯的缺點：它離地球太遠了——近一百萬英里，是月球距離的四倍。HST 享有載人維修任務的好處——例如，修復其鏡片中的缺陷。但 JWST 將無法使用該選項。如果有什麼東西壞了，它就會一直壞下去。
但是，如果一切正常，JWST 將在今年夏天開始向地球傳輸科學資料（美國宇航局在該任務中的合作者，歐洲航天局和加拿大航天局將分別獲得 15% 和 5% 的觀測時間）。這些望遠鏡寶藏不僅包含對宇宙結構起源和系外行星大氣層的新見解，還包含銀河系恆星形成的秘密以及我們太陽系外行星的地質情況。
只有到那時，全球 JWST 社群的成員才能真正放鬆下來——並且，對於那些希望如此的人來說，可以在七月慶祝聖誕節。