詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）延期多年，預算超支數十億美元，經常成為人們嘲笑的物件。從諷刺性的網路漫畫到更嚴厲的批評，美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局的這一旗艦專案很容易成為目標。然而，許多人會爭辯說，這些延誤和預算問題恰恰表明了該望遠鏡前所未有的規模和遠大的目標。如果它能如期在10月31日發射升空，它將是迄今為止送入太空的最大、最先進的天文臺。JWST將位於距地球約150萬公里、超出月球軌道的崇高位置，準備徹底改變我們對宇宙的理解。但是，這臺望遠鏡到底要做什麼，才能證明數十年的努力和花費是值得的呢？
上週我們找到了答案。3月30日，巴爾的摩的空間望遠鏡科學研究所（STScI）公佈了為JWST運營第一年（即週期1）通用觀測者（GO）計劃選定的提案。這些提案構成了望遠鏡在週期1期間執行的大部分觀測，涵蓋了從尋找附近岩石系外行星的大氣層到探測宇宙最早的星系的一切內容。這些專案最早可能在明年這個時候開始，在此之前，望遠鏡的巨型6.5米分段鏡和多層遮陽罩將進行高風險的發射後展開，隨後還將進行為期六個月的儀器除錯階段。
一旦完成準備工作，週期1的觀測就可以正式開始。JWST的開幕研究專案——約460小時——將用於旨在測試望遠鏡儀器效能的早期釋出科學（ERS）計劃。近4000小時將用於有保證時間觀測（GTO）計劃，這些計劃授予幫助建造JWST硬體和軟體的科學家。但在第一年，大部分觀測時間——約6000小時——將分配給世界各地科學家提出的GO計劃，以利用望遠鏡的獨特能力。
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“這真的是一件大事，”STScI主任肯尼斯·森巴赫說。STScI將像運營該專案的前身哈勃太空望遠鏡一樣，執行和操作JWST。“在一個全新的天文臺中，有機會成為首批被接受的提案之一，而這個天文臺有可能真正徹底改變天文學，這是科學界長期以來一直期待的事情。這些是探路者，是將在未來為天文臺開闢道路的科學提案。”
一臺屬於所有人的望遠鏡
總時間分配特意加起來超過一年的小時數，以確保望遠鏡“超額預訂”，永遠不會無事可做。STScI長期規劃組負責人大衛·阿德勒說，20世紀90年代早期哈勃望遠鏡的執行中就曾出現過專案不足導致天文臺閒置的錯誤。JWST的時間將經過精心安排，使其能夠在指向天空特定區域的同時，跨不同專案執行觀測。阿德勒說，這種安排將確保它不會不斷來回轉動其視野，從而浪費燃料，並冒著積累動量而可能對望遠鏡施加“不必要的扭矩”的風險。
這些專案範圍從高影響力科學到引領潮流的探路者觀測，它們是由科學家小組透過雙盲過程選擇的，該過程防止了洩露可能不恰當地影響決策過程的資訊，例如提案者的性別。在收到的約1200份提案中，評審小組從41個國家的科學家中選出了266份，其中三分之一將由女性領導。大約三分之一來自歐空局成員國——歐洲作為JWST的主要合作伙伴，保證至少獲得望遠鏡15%的觀測時間，但最終獲得了30%——2%來自加拿大。然而，大多數提案來自美國科學家。
為了最大限度地提高科學回報，週期1通用觀測者計劃的總觀測時間被分為各種子類別：32%用於星系，23%用於系外行星，12%用於恆星物理學，等等——最低為6%用於我們自己的太陽系。在這些類別中，有小型專案（25小時或更少的觀測時間）、中型專案（超過25至75小時）和大型專案（超過75小時）。後者中的一些也被認為是“寶藏計劃”，預計將提供廣泛的資料集，為後代研究人員的後續研究奠定基礎。
走向宇宙
在所有通用觀測者計劃中，最大的獎項授予了羅切斯特理工學院的傑伊漢·卡塔特佩和德克薩斯大學奧斯汀分校的凱特琳·凱西，他們的 COSMOS-Webb 提案獲得了208.6小時的分配時間。卡塔特佩、凱西及其同事計劃研究宇宙中數千個最早的星系，所有這些星系都形成於大爆炸後十億年內。這些星系非常暗淡，以至於超出了人類望遠鏡的探測範圍，除了哈勃望遠鏡的少數觀測之外，直到現在。“這真的是無與倫比的，”卡塔特佩說。“哈勃已經取得了一些進展，但它確實受到其大小和靈敏度的限制。韋伯真的會徹底清理並探測到更暗淡的東西。”
這可能有助於我們理解宇宙歷史的一個關鍵部分，即再電離時期，這是大爆炸後40萬年至10億年之間，第一批恆星和星系出現的時期。“我們認為再電離並非同時發生在所有地方，”卡塔特佩說。“它發生在口袋或氣泡中。這些氣泡與宇宙最初的大尺度結構有關。我們希望繪製出這種結構。”
另一方面，美國宇航局艾姆斯研究中心的娜塔莎·巴塔利亞和卡內基科學研究所的約翰娜·特斯克因其研究十幾個系外行星大氣層的提案而獲得了第三大時間分配和最大的系外行星計劃，這是以前從未有過的。在超過141.7小時的觀測中，該專案將使用JWST的巨型鏡面來觀察這些世界凌日其宿主恆星，當它們從前方經過時阻擋星光，從而使研究人員能夠計算出任何存在的大氣層的基本組成和結構。
巴塔利亞、特斯克及其同事將觀測到的世界，大小是地球的一到三倍，被認為是引人入勝的超級地球和亞海王星，JWST可以改變我們對這些行星類別的理解。“為了達到在真正潛在的類地宜居行星中尋找生物特徵的程度，我們真的需要了解迄今為止發現的行星的完整多樣性，”巴塔利亞說。“這種完整的多樣性包括這些奇怪的超級地球[和]亞海王星，它們已被強調為星系中最常見的行星型別之一。我們真的不知道它們是什麼。JWST對這些行星進行調查非常重要。”
另一個受歡迎的研究目標是TRAPPIST-1——一個距離地球40光年的凌日行星系統，據信由七個地球大小的世界組成，圍繞一顆紅矮星執行。研究人員認為其中一些世界可能適合居住，因此為了更深入地瞭解該系統，JWST的兩個GTO計劃和望遠鏡的三個GO計劃將重點關注它。德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所所長勞拉·克賴德伯格是GO計劃之一的負責人。該專案將使用JWST評估該系統第二顆最內層行星TRAPPIST-1c的溫度，並在近18小時的觀測中尋找該行星的大氣層。
儘管TRAPPIST-1c本身被認為太熱而無法支援生命，但大氣層的存在表明，該系統中更冷且可能更宜居的世界也可能擁有大氣層。目前只有JWST可以提供這些資料。“我們需要在遠紅外波段進行觀測，”克賴德伯格說。“地球太熱了。你必須有一臺在太空中的低溫望遠鏡，它具有[足夠的]波長覆蓋範圍。JWST是唯一一臺能夠做到這一點的望遠鏡。”
無與倫比的家園
在我們自己的太陽系中，JWST的能力預計也將是變革性的。中佛羅里達大學的諾埃米·皮尼利亞-阿隆索計劃使用該望遠鏡研究59個海王星外天體（TNO）——海王星軌道以外的冰冷天體——這是一項史無前例的觀測活動，持續近100小時。JWST將能夠辨別這些天體上存在的物質，例如水或複雜的有機物——這在以前只對40個最亮的海王星外天體是可能的。“我們即將透過JWST獲得的關於太陽系的廣泛知識與我們目前所擁有的知識相比，是無與倫比的，”皮尼利亞-阿隆索說。
還有一些高風險計劃依賴於正在發生的事件，JWST可以迅速跟進，這被稱為機會目標。美國宇航局戈達德太空飛行中心的馬丁·科迪納正在領導這樣一個計劃，該計劃希望觀測到像2017年的“奧陌陌”或2019年的鮑裡索夫彗星那樣穿過我們太陽系的星際天體。“我們祈禱我們能得到一個，”他說。如果它進入我們恆星的日地距離的幾倍之內，JWST應該能夠研究它——由科迪納領導這項活動。“我們的目標，”他說，“是表徵化學成分”，例如水和二氧化碳，讓我們得以一窺來自另一個行星系統的物質。
這些計劃只是JWST將釋放的大量科學成果中的一小部分。但更重要的是，它們表明了研究人員和公眾應該對這臺望遠鏡抱有的變革性成果的期望。不過，就目前而言，世界必須焦急地等待JWST的成功發射，並希望每臺機器都能按預期執行，以便開啟這扇通往宇宙的美妙視窗。“當所有這些機制展開時，將會有幾天的恐怖，”歐空局科學主任Günther Hasinger說。雖然許多人渴望儘快啟動，但不會有任何匆忙——對JWST的嘲笑去他媽的。“要有耐心，”Hasinger說，“並祈禱我們能讓這臺神奇的機器進入軌道。”