耗资110亿美元的韦伯望远镜旨在探测早期宇宙

当天文学家开始计划有史以来最雄心勃勃、最复杂的太空天文台时，丽莎·丹格甚至还没有出生。现在，三十年过去了，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)终于要发射了，Dang在它设计时甚至不存在的研究领域获得了一些最初的观测时间。

Dang是加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的天体物理学家和研究生，他将使用这台简称为韦伯的望远镜来凝视太阳系之外的一颗行星。这颗行星被称为K2-141b，温度极高，其表面部分是熔融岩石。她是今年3月获得望远镜观测时间的几十位天文学家之一。人们期待已久的韦伯——由美国国家航空航天局、欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)合作——计划在12月22日之前从法属圭亚那库鲁的发射台发射升空。

如果一切按计划进行，韦伯将通过观测迄今为止最遥远的星系、遥远行星的大气层以及被尘埃包裹着的恒星形成区域的中心等宇宙现象来重塑天文学。韦伯望远镜的威力大约是其前身哈勃太空望远镜的100倍，哈勃太空望远镜在过去31年里改变了我们对宇宙的理解，韦伯望远镜将揭示宇宙以前隐藏的方面。

马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家简·里格比(Jane Rigby)是韦伯的运行项目科学家，他说:“韦伯具有如此巨大的变革性能力，对我来说，它将是‘以前’时代和‘以后’时代。”

但如果出了什么差错，这将是史上最昂贵的天文赌博的耻辱挫折。这台望远镜花了几十年时间和100多亿美元来开发，频繁的延误一再消耗美国宇航局的天体物理学预算。就在今年，该望远镜还陷入了是否应该继续以詹姆斯·韦伯(James Webb)的名字命名的争议之中。20世纪60年代，美国宇航局的一名员工因涉嫌同性恋而被解雇，当时韦伯是美国宇航局的负责人。20世纪40年代末和50年代初，韦布还曾在美国国务院担任高级职位，当时国务院正因为同性恋者的性取向而系统地清除和解雇他们。

在经历了如此多的延迟和争论之后，当望远镜升空时，它将带着世界各地成千上万天文学家的希望。华盛顿大学天文研究协会副主席、天文学家海蒂·哈梅尔(Heidi Hammel)说:“在你的一生中，没有多少次你站在如此重大的事件的风口浪头上。”她在韦伯望远镜项目上工作了几十年。“有很多情绪。”

几十年的发展

1989年，在马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所的一次研讨会上，韦伯望远镜的雏形初现端倪。那是哈勃太空望远镜发射的前一年，科学家们已经在考虑如何跟进这个具有变革意义的天文台。最终出现的计划是建造一个由18个六角形部分组成的空间望远镜，主镜宽6.5米，几乎是哈勃望远镜的三倍大。这面镜子太大了，发射时必须像折纸一样折叠起来，进入太空后再展开。为它遮阳的将是一个网球场大小的风筝形状的遮阳板，由五层铝涂层组成，可以阻挡太阳的热量，并使望远镜保持足够低的温度以运行。

韦伯项目的总成本最初估计为10亿美元——即使在当时也很少有人相信这一评估——而且自那以来一直在膨胀。美国宇航局提供了97亿美元，包括用于支付太空运营成本的资金;7亿欧元(8.1亿美元)来自欧空局;CSA捐助了2亿加元(1.6亿美元)。该项目飙升的成本引起了政府审计人员的密切关注，同时也一直存在这样的问题:它是否物有所值?哈梅尔说:“要想在一个领域真正实现变革，你必须构建所需的工具。”“这就是做这件事的代价。”

在反复取消和设计变更的困扰下，望远镜最终在世界各地的实验室中成型，然后在戈达德进行组装。后来，它与位于加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼航空航天系统天文台的其余部分结合在一起。在那里，韦伯遇到了更大的麻烦，技术人员在清洁推进阀门时使用了错误的溶剂，损坏了它。后来，在测试过程中，螺丝真的松了。

现在，在构思32年后，韦伯终于坐在库鲁的太空港，为发射做准备。它的目的地是距离地球150万公里的太空点，如果望远镜出了问题，宇航员无法前往并修理它。哈勃望远镜在1993年发射后需要进行维修，当时宇航员使用航天飞机到达地球轨道天文台，为其主镜安装了矫正光学系统，该镜子被不正确地接地。

如果发射成功，韦伯将在近红外到中红外波段探测宇宙，其中大部分波长比哈勃望远镜能看到的要长。这意味着韦伯可以研究来自遥远星系的光，这些光因宇宙膨胀而被拉伸到更红的波长。韦伯还将能够研究包裹在恒星形成区域的尘埃以及恒星之间的气体，这两者在较短波长下都不可见。像哈勃望远镜一样，它将能够获取天文物体的光谱，这意味着它可以将它们的光分解成不同的成分，以确定它们的组成。

地球大气层干扰了大多数地面红外天文研究。太空望远镜，如2009年至2013年运行的欧空局赫歇尔太空天文台，以前曾在红外光下探索过宇宙。但科学家们说，韦伯的巨大镜子和一系列敏感仪器(参见“天空中的新眼睛”)意味着它的发现将超过任何以前的红外太空望远镜。纽约罗切斯特理工学院的天文学家Jeyhan Kartaltepe说:“这将改变我们对天文学很多领域的了解。”

由于韦伯望远镜可以发现微弱的红色物体，因此它可以观测138亿年前宇宙大爆炸后形成的第一批恒星和星系。韦伯几乎肯定会打破迄今为止观测到的最遥远星系的记录，目前这个记录是由一个名为GN-z11的不起眼的星系保持的，它距离地球134亿光年^1，2．

一项大型研究将观测三个满月大小的天空区域，旨在捕捉其中的50万个星系。这项调查被称为COSMOS-Webb，建立在一个正在进行的项目上，该项目使用了几乎所有主要的地面和太空望远镜来研究同一块天空，这片天空位于天体赤道沿线，从南北半球都可以看到。韦伯将对这一领域进行200多个小时的观测，使其成为天文台科学元年最大的项目，并为天文学家创造了丰富的数据集，供他们挖掘发现。例如，韦伯的红外视角将探测大爆炸后大约40万年到10亿年的时期，那时第一批恒星和星系照亮了宇宙。这个时代被称为宇宙再电离时代，为今天的星系演化奠定了基础。COSMOS-Webb的联合负责人Kartaltepe说:“关于那段时间，我们还有很多不知道的。”

通过观察这些极其遥远的天体，科学家们可以回答诸如第一批恒星如何聚集成星系以及这些星系如何随着时间的推移而演变等问题。更好地了解宇宙早期星系的形成将有助于天文学家了解现代宇宙是如何形成的。
荷兰莱顿天文台的天文学家Mariska Kriek计划利用韦伯望远镜来研究那些不再形成恒星的遥远星系。观测结果将揭示这些星系中恒星的化学成分以及它们移动的速度。反过来，这些数据将帮助克里克解开这些星系如何以及为什么在它们历史的某个时刻停止形成恒星的谜团，而不像那些没有停止形成恒星的星系^3.．“我们正在寻找一个非常非常微弱的信号，”她说。“这就是詹姆斯·韦伯将要开拓的领域。”

遥望遥远的行星

当不观测恒星和星系时，韦伯将花费大量时间仔细研究行星，特别是太阳系外发现的数千颗行星中的一些。它可以观察到一颗行星从一颗恒星表面滑过，恒星的光短暂地穿过行星的大气层。韦伯的光谱分析可以比以往任何时候都更详细地揭示行星大气的组成，天文学家特别热衷于寻找甲烷和水等分子，这些分子表明可能支持生命的条件。在第一年，韦伯将研究一些最著名的系外行星，包括围绕恒星TRAPPIST-1运行的7颗地球大小的行星。

Dang将使用韦伯望远镜观测几颗系外行星，但她领导的项目将探索世界K2-141b，这颗行星的大小只有地球的1.5倍，距离恒星非常近，部分已经熔化。这是一个罕见的“熔岩行星”的例子，其地质特征与太阳系中已知的任何行星都不同。韦伯的红外探测器可能会探测到K2-141b大气层中已经从其表面蒸发的矿物质，天文台甚至可能会绘制出整个星球的温度。“韦伯为系外行星科学开辟了许多以前不存在的途径，”Dang说。

太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)的天文学家埃斯皮诺萨(Espinoza)说，开发和建造韦伯望远镜的一再延迟实际上对系外行星科学家有利。Néstor韦伯计划在2011年发射，但天文学家直到2005年才确认系外行星周围存在第一个大气层^4，5．韦伯的延迟给了他们更多的时间来调整仪器，以适应系外行星大气的研究。埃斯皮诺萨说:“与2011年发射JWST相比，我们现在的状况要好得多。”

韦伯将瞄准广泛的系外行星，包括气体巨星和比地球大但比海王星小的行星，这是迄今为止发现的最常见的系外行星类型。

在离地球更近的地方，韦伯将有很多物体可供观察。天文学家希望利用其广泛的波长范围来揭示以前未见过的太阳系居民的细节。例如，在冥王星附近和更远的轨道上，冰冷世界的颜色和表面化学可以帮助揭示太阳系起源的秘密。哈梅尔和其他人计划用这台望远镜研究冰巨星海王星和天王星的上层大气，它们的化学组成在红外线下最容易看到。通过将上层大气的研究与下层大气的研究联系起来(通过其他望远镜在其他波长看到)，科学家可以获得一幅行星大气行为的3D图像。这反过来又可以解释太阳系外类似巨行星的运行情况。

最后的障碍

尽管一些科学家看到了延误带来的好处，但更多人批评NASA及其承包商多年来在开发“韦伯”过程中存在的众多问题。该望远镜在2001年的一份报告中得到了大力支持，该报告为美国天文学制定了路线图，但美国宇航局(NASA)在2002年至2008年期间一直在努力开发如此复杂的天文台所需的许多技术，比如遮阳板。2010年一份来自独立审查的严厉报告指出，关键问题源于NASA低估了所需的时间和资金:“这导致了一个项目根本无法在预算资源范围内执行，”报告总结道。

作为回应，NASA调整了该项目的管理，但在2018年，另一项独立审查再次抨击该机构监管不足。预计成本将再增加8亿美元，发射被推迟了近一年，然后由于诺斯罗普·格鲁曼公司的问题和COVID-19大流行带来的挑战而进一步推迟。今年早些时候，关于望远镜命名的争议爆发了;在对詹姆斯·韦伯的行为进行历史调查后，美国宇航局于10月宣布，它没有改变名字的计划。然而，许多天文学家对NASA公布的有关调查范围的有限信息表示不满。

然后，在距离预定发射日期(12月18日)不到一个月的时候，韦伯又遇到了另一个障碍。在库鲁的设施中，将望远镜固定在运载火箭上的带子意外松开，引起了振动。NASA进行了调查，得出的结论是振动没有造成任何损害。

如果韦伯望远镜最终升空(这总是一个冒险的过程)，它将面临一个精心设计的六个月的事件序列，从展开和展开遮阳板开始，然后展开和展开主镜和副镜。望远镜将开始冷却，因为它将朝着围绕空间中引力稳定点L2或第二拉格朗日点的最终轨道飞行。在这个位置，韦伯望远镜将始终被指向远离太阳的地方，地球在它的后面，这样它就可以看到远处的物体，同时遮阳板保持它的凉爽。

然后是两个月的同步和校准镜子和望远镜光学系统，还有一个月的校准仪器。到2022年6月，如果一切顺利，韦伯将最终为科学研究做好准备。

天文学家已经仔细计划了接下来的步骤。Kartaltepe说:“我们必须迅速开展工作。”首先是一组“早期发布”的观察。它们的内容被严密保护，但可能会包括一系列令人瞠目的图像，这些图像被选来展示望远镜的能力。在此之后，将进行一系列的一般性观测，NASA将立即向天文学界发布这些数据。其中一个项目将观测由剧烈星系碰撞形成的红外星系。参与该项目的加州大学欧文分校的天文学家Vivian U说:“我们是第一批观察JWST将产生什么数据以及我们将如何分析这些数据的小白鼠。”“我知道我正站在巨人的肩膀上。”

花了多年时间建造韦伯仪器的天文学家得到了保证的观测时间，包括哈梅尔在内的六名科学家也得到了保证，他们的任务是进行跨学科兴趣的研究。之后是由主要研究者主导的提案。欧洲的天文学家将得到至少15%的观测时间，加拿大的天文学家将得到至少5%的观测时间，因为他们的太空机构对韦伯的贡献。提案采用双匿名同行评议的方式进行评估，评议者和提案者彼此不知道对方的名字——这种做法已被证明可以减少分配望远镜时间时的性别偏见⁶．

韦伯预计将运行至少5年，也可能长达10年，其寿命取决于它在太空中定向所使用的燃料量。与此同时，老化的哈勃望远镜仍在蹒跚前行。它上一次由宇航员升级是在2009年，从那时起就开始慢慢退化。今年6月，一次电脑故障让它下线，工程师们不得不切换到备份系统，直到7月才让它重新工作。由于内部通信问题，哈勃的科学仪器也在10月份停止工作。工程师们在12月初恢复了所有仪器的运行。

经过多年的等待，天文学家已经为韦伯从哈勃手中接过发现的接力棒做好了充分的准备。“我可能对我们还不知道的事情感到最兴奋，”克里克说。