“鴿王”詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡終于發(fā)射！

美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡從南美洲東北海岸的法屬圭亞那起飛，乘坐歐洲的阿麗亞娜火箭進入圣誕節(jié)早晨的天空。

這意味著世界上最大、最強的太空望遠(yuǎn)鏡將出發(fā)，觀察第一批恒星和星系發(fā)出的光，并在宇宙中搜尋生命的跡象。

NASA 科學(xué)任務(wù)負(fù)責(zé)人 Thomas Zurbuchen 說：“多么棒的圣誕禮物啊。”

前瞻：下一代空間望遠(yuǎn)鏡

前瞻性是推動人類社會發(fā)展的重要思維方式。早在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前，科學(xué)家們就已經(jīng)在暢想未來了——哈勃退役后，下一代空間望遠(yuǎn)鏡是什么樣的?

1989年9月，距離哈勃發(fā)射還有半年時間，美國空間望遠(yuǎn)鏡研究所(STScI)和NASA匯集了130多名天文學(xué)家和工程師，共同主辦了“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”研討會。會議研究分析了2005年在高地球軌道上建造10米口徑近紅外望遠(yuǎn)鏡或在月面建造16米口徑望遠(yuǎn)鏡的可行性。哈勃發(fā)射后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)哈勃的能力依然有限，不能看到宇宙誕生最初5億年的中紅外波段影像。1996年，由天文學(xué)家艾倫·德雷斯勒(Alan Dressler)領(lǐng)導(dǎo)的委員會向NASA正式提議研制一款紅外空間望遠(yuǎn)鏡，以彌補哈勃的不足，其設(shè)計指標(biāo)是能夠看到130億年前宇宙誕生的“第一縷曙光”。

時任NASA局長的丹尼爾·戈爾丁(Daniel Goldin)對此非常感興趣，經(jīng)過初步研究他們確定了“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”的技術(shù)指標(biāo)：主鏡直徑8米、鏡面材料為輕質(zhì)金屬鈹、工作溫度低至-223℃、工作軌道位于日地拉格朗日L2點，這些初期設(shè)計指標(biāo)與如今完工的韋伯望遠(yuǎn)鏡幾乎完全一致。

天文學(xué)家們也曾對如此激進的設(shè)計指標(biāo)產(chǎn)生質(zhì)疑，這會帶來極高的研發(fā)成本。與此同時，丹尼爾·戈爾丁在擔(dān)任NASA局長一職時實行“更快、更好、更便宜”的發(fā)展戰(zhàn)略，以更快的制造速度、更低的制造成本來完成一些更鼓舞人心的任務(wù)。在這種領(lǐng)導(dǎo)戰(zhàn)略的思維方式下，人們預(yù)估“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”的成本只有約5億美元，發(fā)射時間預(yù)計為2007年到2011年，這一成本與時間在當(dāng)時還可以接受。

起初這一戰(zhàn)略似乎奏效了：1997年的火星探路者任務(wù)、1998年的月球勘探者任務(wù)均大獲成功。然而在1999年，廣域紅外探測器一經(jīng)發(fā)射，攜帶的制冷劑就因低級失誤而泄漏地一干二凈，探測器接近報廢;兩個火星任務(wù)——火星氣候探測器、火星極地著陸器也均因低級失誤造成了災(zāi)難性損失，顆粒無收。事實證明，“更快、更便宜”的同時并不能做到“更好”，嚴(yán)肅認(rèn)真、周到細(xì)致、穩(wěn)妥可靠、萬無一失才是航天領(lǐng)域應(yīng)有的態(tài)度。

此后NASA便對探測器的制造過程加以嚴(yán)格約束，以盡量保證任務(wù)不會出差錯，隨之而來的就是成本升高。這種戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變使韋伯望遠(yuǎn)鏡的成本升至10億美元以上，主鏡直徑也從8米減少到6.5米，以降低成本。另外，額外的測試表明這枚望遠(yuǎn)鏡似乎不可能在2011年前發(fā)射升空了。

此時的人們還沒有意識到事情的嚴(yán)重性與復(fù)雜性：更強勁的望遠(yuǎn)鏡要求有更高的品控，更高的品控帶來更高的成本，更高的成本決定了這一款望遠(yuǎn)鏡的性能必然更加強勁——他們已經(jīng)陷入了一個“死循環(huán)”。

新的世紀(jì)，新的希望

人們懷著滿腔熱情迎來了嶄新的21世紀(jì)。2002年，“新一代空間望遠(yuǎn)鏡”以NASA第二任局長詹姆斯·韋伯命名，在他的帶領(lǐng)下NASA實現(xiàn)了阿波羅載人登月的壯舉。從此，全世界都在等待著這臺叫做“詹姆斯·韋伯”的巨大空間望遠(yuǎn)鏡升空。

在新世紀(jì)的前幾年里，望遠(yuǎn)鏡團隊一直在為韋伯望遠(yuǎn)鏡的可行性進行論證。為了提高望遠(yuǎn)鏡分辨率，他們設(shè)計了巨大的可折疊主鏡;為了降低溫度，他們設(shè)計了與網(wǎng)球場差不多大但與頭發(fā)絲差不多薄的巨大隔熱罩;為了產(chǎn)出質(zhì)量更高的觀測數(shù)據(jù)，他們設(shè)計了四款極其先進的紅外鏡頭或光譜儀載荷。2004年，整部望遠(yuǎn)鏡難度最大、要求最高的核心部件開始投入前期生產(chǎn)，包括18面主鏡以及四款科學(xué)載荷，此時其預(yù)期成本約16億美元。

2005年，美國NASA與歐空局達(dá)成協(xié)議，將會使用一枚歐空局的阿麗亞娜5號火箭發(fā)射韋伯望遠(yuǎn)鏡。2007年，整個韋伯望遠(yuǎn)鏡的大部分核心設(shè)計通過了前期的審查，標(biāo)志著韋伯望遠(yuǎn)鏡的詳細(xì)設(shè)計、采購、組裝和測試正式開始。然而，人們依然低估了韋伯望遠(yuǎn)鏡的制作難度，其實際成本大大超出了韋伯望遠(yuǎn)鏡的預(yù)算。僅僅在這前期的技術(shù)論證環(huán)節(jié)，韋伯望遠(yuǎn)鏡就燒掉了20億美元，額外的測試環(huán)節(jié)也使發(fā)射時間推遲到了2014年。

起死回生

任務(wù)推進過程中的成本和測試時間問題逐漸凸顯。2010年11月，新的統(tǒng)計顯示韋伯望遠(yuǎn)鏡的總成本增長到50億美元，發(fā)射時間不早于2015年9月，比計劃又推遲了一年多。《自然》雜志刊文將韋伯望遠(yuǎn)鏡稱為“吞噬天文學(xué)的望遠(yuǎn)鏡”，因為其巨額的開銷已經(jīng)影響到了其他天體物理學(xué)研究任務(wù)的經(jīng)費。

2011年7月，美國國會議員投票決定將從NASA的2012年預(yù)算中削減19億美元，以取消韋伯望遠(yuǎn)鏡計劃——此時其總成本飆升到了65億美元，且發(fā)射時間推遲到了2018年。國會指責(zé)NASA成本的飆升并非遇到了技術(shù)問題，而是管理方式出現(xiàn)了失誤。這是整個韋伯望遠(yuǎn)鏡從規(guī)劃以來面臨的最大挑戰(zhàn)，難道已經(jīng)進行了十余年的前期論證、已經(jīng)完成基本設(shè)計的主鏡與科學(xué)載荷、已經(jīng)投入的幾十億美元都付諸東流了嗎?

政客們認(rèn)為韋伯望遠(yuǎn)鏡是毫無意義的燒錢無底洞，但是抱有理想的科學(xué)家們?nèi)砸曋疄檎鋵殻麄儗嵲诓蝗绦姆艞夗f伯這款史上最強勁的空間望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過一番斡旋，2011年11月NASA與參眾兩院達(dá)成共識：眾議院取消韋伯望遠(yuǎn)鏡計劃的提議被取消，但妥協(xié)的代價是該計劃的支出只能限制在80億美元以下。NASA表示將推遲其他計劃，諸如縮減商業(yè)載人飛船的研發(fā)支出，以確保望遠(yuǎn)鏡在2018年發(fā)射。

沒有B計劃

韋伯望遠(yuǎn)鏡的建造過程要同時保證其高性能與高質(zhì)量。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡運行于600公里高的近地軌道，如果有故障可以派航天員前去維修，而韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將會運行在距離地球150萬公里遠(yuǎn)的日地拉格朗日L2點，發(fā)射后一旦出現(xiàn)故障將是不可挽回的損失，沒有B計劃作為退路。

因此，韋伯望遠(yuǎn)鏡的各個器件都在極高的標(biāo)準(zhǔn)下進行生產(chǎn)，并在極其嚴(yán)苛的條件下進行測試。2011年，第一面六邊形主鏡生產(chǎn)完畢，總耗時六年之久。主鏡的品控要求極高，每面六邊形主鏡可以允許的最大起伏僅為25納米，如果把這面鏡片放大到月球的大小，其最大起伏將不能超過8厘米。

2012年到2014年，四款科學(xué)載荷依次完成生產(chǎn)，共同組裝為綜合科學(xué)儀器模塊(ISIM)并進入測試環(huán)節(jié)，在戈達(dá)德太空環(huán)境模擬器中進行了數(shù)次低溫測試及真空測試。2015年，主鏡的18片六邊形鏡片全部完成生產(chǎn)。2016年底，整部望遠(yuǎn)鏡的主要結(jié)構(gòu)均完成了生產(chǎn)，隨后便是漫長的振動、低溫等測試環(huán)節(jié)。2017年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡模塊整體進行了長達(dá)100天的低溫測試，以確保其所有系統(tǒng)在類似的太空環(huán)境中能夠正常運行。

地面嚴(yán)苛的測試的確是有益的。2018年3月，韋伯望遠(yuǎn)鏡的隔熱罩在進行展開測試時撕裂了，NASA不得不進一步將發(fā)射計劃推遲至少3個月。當(dāng)年4月，對隔熱罩的進一步振動測試表明隔熱罩產(chǎn)生了兩倍于預(yù)期的振動，測試結(jié)束后發(fā)現(xiàn)1000顆螺絲中的20顆出現(xiàn)了松動。與此同時，粗心的工作人員也帶來了多余的麻煩，在清潔望遠(yuǎn)鏡時工作人員使用了錯誤的溶劑，另外還錯誤接線導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡承受了過高的電壓。

總而言之，一年內(nèi)螺絲松動、溶劑誤用、接線錯誤這三個失誤使韋伯望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射時間進一步推遲了1.5年，并且多燒掉了大約6億美元的測試經(jīng)費。NASA不得不出面說明，80億美元的經(jīng)費肯定不夠用了，2018年發(fā)射的承諾也已無法實現(xiàn)——發(fā)射日期再次被推遲到2020年5月。

氣氛再次緊張焦灼起來，2018年一份審查報告顯示，韋伯望遠(yuǎn)鏡可能會出現(xiàn)344種不同的故障——這對于任何航天任務(wù)來說都是一個可怕的數(shù)字。哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家格蘭特·特倫布萊(Grant Tremblay)表示，這意味著如果某個金屬支柱發(fā)生故障，或者一根電纜卡住，“我們就會得到一張價值100億美元的廢紙。”根據(jù)這一審查報告，NASA對韋伯望遠(yuǎn)鏡進行了系統(tǒng)性的排查與測試，并將望遠(yuǎn)鏡總成本控制在88億美元，發(fā)射時間進一步延后為2021年3月30日。

新冠肆虐，海盜猖獗

就在NASA著手對各項可能出現(xiàn)的故障一一排除時，卻又趕上了肆虐全球的新冠肺炎大流行。為了應(yīng)對疾病控制與預(yù)防中心的政策，2020年3月份NASA不得不暫停了韋伯望遠(yuǎn)鏡的幾項關(guān)鍵測試工作。同時，NASA也出現(xiàn)了人手不足的情況，他們只能將主要精力集中于2020年的毅力號火星車任務(wù)上。就這樣，韋伯的發(fā)射日期被推遲到了2021年10月31日。

NASA在疫情影響下艱難地完成了韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射前的最后幾項任務(wù)，成功進行了最終的折疊與打包工作。然而其發(fā)射工作再次因為三條其他原因被推遲到至少2021年11月底，這次與望遠(yuǎn)鏡本身無關(guān)。

首先，問題出在火箭身上。2020年8月阿麗亞娜5號執(zhí)行兩顆通信衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)時，工作人員發(fā)現(xiàn)火箭的整流罩異常，分離似乎并不完全。此外，在2020年2月的發(fā)射任務(wù)中，飛行引起的振動高于常值。這都對韋伯的發(fā)射產(chǎn)生了潛在威脅。NASA將發(fā)射時間推遲到至少2021年11月底，并要求阿麗亞娜公司通過重新設(shè)計解決以上問題。歐空局在韋伯發(fā)射之前的2021年7月31日、10月24日成功發(fā)射了兩枚改進后的阿麗亞娜5號火箭，兩次發(fā)射證明了相關(guān)問題得到解決。

其次，庫魯航天發(fā)射場的疫情形勢也不容樂觀。法屬圭亞那尚未廣泛接種疫苗，如果疫情形勢進一步惡化，可能會拖延韋伯望遠(yuǎn)鏡在發(fā)射場相關(guān)準(zhǔn)備工作的進度。

最后，由于發(fā)射場位于南美洲，把望遠(yuǎn)鏡從美國千里迢迢運輸?shù)桨l(fā)射場要16天的時間，同時還有一個最大的威脅等著他們——海盜。海盜大概不會忽略這一塊價值100億美元的肥肉，很可能將運輸船劫持。這并非空穴來風(fēng)，早在1982年一臺名叫JCMT的望遠(yuǎn)鏡就在運到英國的路上被劫持了。為了應(yīng)對此事，NASA始終對韋伯的具體運輸日期緘口不言，同時叫來美國海軍保駕護航。韋伯望遠(yuǎn)鏡最終于2021年10月18日安全運抵法屬圭亞那庫魯航天中心，并將發(fā)射日期定為2021年12月18日。

本性難移

韋伯在庫魯航天中心的準(zhǔn)備工作還算順利，人們都認(rèn)為這款望遠(yuǎn)鏡終于能夠守時一次，并在2021年12月18日如期發(fā)射了。然而，阿麗亞娜公司的工作人員卻又惹了亂子，使箭在弦上的韋伯望遠(yuǎn)鏡再次推遲發(fā)射。

工作人員將韋伯望遠(yuǎn)鏡連接到運載火箭適配器上時，將韋伯固定在運載火箭適配器上的夾箍突然意外松開，導(dǎo)致整個望遠(yuǎn)鏡發(fā)生了不小的震動。NASA立即進行調(diào)查并為韋伯望遠(yuǎn)鏡進行了額外的測試，以防止這一惡性事件對望遠(yuǎn)鏡造成損壞。

謝天謝地，經(jīng)過檢測這次震動沒有產(chǎn)生破壞性的影響。韋伯的發(fā)射日期只延后了四天，燃料加注工作正常進行，發(fā)射時間重置為北京時間2021年12月22日20:20。

然而，就在全球無比期待的目光下，“鴿王”又推遲了——12月15日，距離原定發(fā)射日一周時，歐空局表示發(fā)射要再推遲——理由是需要解決望遠(yuǎn)鏡與火箭之間的通信問題，發(fā)射時間再次被重置為2021年12月24日XX時。到了22號，發(fā)射場工作人員發(fā)現(xiàn)發(fā)射場天氣實在不佳，無法進行火箭的垂直轉(zhuǎn)運，發(fā)射時間又雙叒叕被推遲24小時，瞄準(zhǔn)12月25號20:20，西方的圣誕節(jié)之日發(fā)射。

24日，發(fā)射場天氣向好，火箭終于推出總裝廠房，走過地面上的最后一段路途，前往發(fā)射臺加注燃料，靜待發(fā)射。

當(dāng)了十余年“鴿王”的韋伯望遠(yuǎn)鏡終于在發(fā)射前再三拖延，沒有忘記自己已經(jīng)忠誠了半生的“鴿王”稱號，真可謂本性難移。

廿年磨一鏡，霜刃未曾試。今日把示君，誰有不平事?不少參與韋伯望遠(yuǎn)鏡建設(shè)工作的工程師與科學(xué)家在接手這項偉大任務(wù)時正值壯年，而如今已白發(fā)蒼蒼。現(xiàn)在他們終于能夠看著這枚傾注了半生心血的望遠(yuǎn)鏡飛上云霄，帶全世界的人們看一看宇宙的第一縷曙光。

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