“爱”“恨”交织的詹姆斯.韦布空间望远镜
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作者: 谢 懿
每过十年，美国的天文学家就会对未来进行一次规划，列出他们最想要的东西。这一做法使得美国天文学界在最核心的问题上形成了统一战线，可以同仇敌忾、一致对外。在2000年天文学家们公布的清单上，下一代空间望远镜占据了显赫的位置，它将接替哈勃空间望远镜(HST)挑起美国天文学的大梁，并且使得美国天文学继续保持“领跑”的态势。
这就是詹姆斯・韦布空间望远镜(JWST)，它先进的光学系统、独特的轨道以及有别于HST的工作波段将给我们带来一个全新的宇宙。但同时它不断上涨的成本，也在不断地拖累美国航宇局(NASA)整个的空间科学计划。这也使得它自诞生那一刻起就处在风口浪尖之上。
尖端技术放眼早期宇宙
甚至在HST发射前一年的1989年，美国空间望远镜研究所的天文学家就开始筹划下一代空间望远镜了。按照目前的计划它将在2014年发射。作为HST的接班人，JWST将扛起下一代空间望远镜的大旗。
不过HST主要观测的是可见光和紫外波段，而JWST的优势则在红外波段。位于大气层之上的JWST可以对波长从0.6微米(可见光谱红端)到28微米(远红外的起始)的辐射一览无遗。JSST6.5米的直径也让它变得十分灵敏，在红外波段它拥有犹如HST在可见光波段的分辨率，它还可以看到比HST所能看到的最暗弱的天体还要暗上10～100倍的天体。
为此JWST将采用一系列的尖端技术，例如由铍制成的超轻型光学系统、超灵敏红外探测器以及一个能让中红外探测器长期维持在7开的制冷机。进人红外波段意味着望远镜必须要有较大的口径，但是这也带来了发射上的麻烦。JWST的反射镜实在太大，目前现有的任何火箭都没有办法把它送上天。因此不得不“化整为零”，先将镜面收起来待发射入轨之后再将镜面打开。而为了在红外波段进行观测，JWST还必须远离热源。它会使用多层结构来保护望远镜免受阳光照射，同时还要远离地球的影响。为此JWST将会被发射到距离地球达150万千米的第二拉格朗日点附近，在那里它能具有比HST更大的可视天区。但是一旦JWST出了任何问题，如此遥远的距离使得想去维修的航天员也只能望洋兴叹。所以JWST必须一开始就在每个细节上部表现完美才行。除了被动的降温方式之外，JWST还会用制冷机来给自己降温。这使得它不会像先前的空间红外望远镜(例如斯皮策空间望远镜)那样工作寿命受到制冷剂供应的制约。
在红外波段的观测能力并不是可有可无的，它是必需的。如果你想深入早期宇宙，那么进入红外波段是你唯一的选择。理论认为，在大爆炸的光辉褪去之后，宇宙进入了一个长期的“黑暗时代”。最终，低温物质聚集坍缩形成了第一代恒星，出现了第一缕光。这些最早的恒星正以极高的速度远离我们，这会拉伸到达我们的光线，使得它的波长到达光谱的红端。一般认为，第一代恒星在大爆炸之后小于10亿年的时间里便开始发光，所以它的红移值可以达到20甚至更大――导致可见光进入红外波段。这就是为什么具有惊人视力的HST没有在红移大于7的地方发现这些天体的很大一部分原因。JWST会解决这个问题。年轻的恒星会发出紫外辐射，经过值为15的红移之后就会进入波长为1.9微米的红外波段，这正好位于JWST的最佳工作波段。
目前的或者是计划中的望远镜，甚至包括JWST，部无法分辨出单个的第一代恒星，但是JWST应该可以看到这些大质量恒星所产生的超新星爆发，它们为宇宙制造了第一批重元素。同时，JWST也会观测第一代星系。JWST最重要的观测之一就是进行与HST类似的“深空”观测。在“深空”观测的过程中，望远镜会对准一小片天区，进行长时间深度曝光，以此来揭示出极端暗弱遥远的天体。天文学家希望JWST的近红外深空观测(具有最佳的对比度和分辨率)能提供第一代星系和原星系的影像。
然而JWST并不会只专注于遥远的宇宙，它还会仔细地观察我们邻近的宇宙，例如形成中的其他行星系统以及被尘埃星云包裹住的星团。JWST可以获得木星大小的太阳系外行星的图像和光谱数据，甚至也许还能捕捉到天王星大小的太阳系外行星大气在特殊环境下所产生的光谱。它得到的高分辨率尘埃星周盘图像将会是有史以来最锐利的，将有助于了解行星形成的过程。JWST甚至还能应用到我们太阳系上，研究柯伊伯带天体的热辐射性质。
就像HST最重要的一些发现一样(例如深空观测)，JWST最重要的成果也许是无法事先预见的，因为这是一个开放的新领域。
从“宠儿”到“包袱”?
因此没有人质疑JWST将会是一架一流的望远镜，甚至会是一架具有革命性意义的望远镜。但是它究竟要花多少钱?NASA最近给这个项目的预算是45亿美元，其中包括了运转10年要花费的10亿美元。
在这个基础上，欧洲和加拿大会像在HST上一样给予一定的帮助。欧洲将会提供望远镜4台设备中的1台――近红外摄谱仪，以及用于发射的“阿里安”5型火箭。对于这将近5亿美元的“投资”，将会使得欧洲获得15％的观测时间。加拿大的5,700万美元将提供一个精细导星传感器和其他硬件，这将使它得到大约5％的观测时间。
JWST的总成本超过世界上最大的凯克望远镜的30倍。巨额成本的原因之一就是JWST是一架挑战现有技术的望远镜。其由18块六角形铍镜面拼接而成的主镜是史无前例的；其多层太阳防护系统和镜面展开系统也是如此。30年前设计中的HST曾经借鉴了许多间谍卫星的技术，而JWST就没那么幸运了。
工程师发现他们可以制造出轻型的镜面，但是不能如预期的那样快――这项工作要花6年的时间而不是先前预计的4年。由于美政府推迟决定是使用美国还是欧洲的运载工具，造成工程技术人员不知道哪种火箭合适而停工导致了3亿美元的损失。这是非常令人难堪的局面，由于拖延决定造成的损失甚至比发射的花费还要大。由于拖延和NASA决定重新安排这个计划的长期预算使得发射日期从2011年推迟到了2014年。每次推迟发射都会增加总成本，而JWST每推迟1年所造成的损失都是巨大的。
相对于HST总数将超过90亿美元的花费(这其中不包括5架航天飞机执行HST维修任务的成本)，45亿美元的JWST――它几乎在所有的方面都会超越HST――事实上是捡了一个“大便宜”。但是在这样一个经济不景气的时期，是否能负担这样一个“大便宜”仍然是个问题。就HST和JWST而言，它们会消耗NASA一半的天体物理预算。
天文学家们要NASA执行所有的计划，NASA则要为此埋单。其结果就是
JWST不断扩张，就像是高峰时段的交通一样。一个事故就会使所有人突然搁浅。这迫使NASA减缓了其他天文学和天体物理学项目的研发进度，许多计划被推迟或者取消。对科学项目超支的抱怨至少可以追溯到1980年，当时NASA的整个预算和现在的科学预算相当。但是今天NASA有比当时多得多的望远镜、行星探测器和地球监测卫星等着设计、制造和发射。
但不管怎么样，JWST已经走上了一条不能回头的路，唯有前进。
未来的未来
尽管未来的空间项目部遇到了这样或者那样的财政问题，但是这并不影响天文学家对未来的畅想。因为天文学家是一群永不知足的人，即使在JWST还没有成形的今天，他们就已经开始计划JWST的下一代空间望远镜了。
美国空间望远镜研究所正在研究中的高新技术大口径空间望远镜(ATLAST)现在有3个候选设计，直径8米的单一镜面望远镜、9.2米以及16.8米的拼接镜面望远镜。它的灵敏度将是HST的2,000倍，其所成像分辨率则是HST或者JWST的7倍。它将帮助回答一个长期困扰我们的问题――银河系中还存在其他生命吗?ATLAST会观测几十光年之内大量类地行星的光谱，这些光谱中氧和水的信号将帮助我们找到适合生命存在的太阳系外行星。除此之外，ATLAST还将寻找星系和黑洞之间缺失的一环。几乎所有的大型星系中央都有一个超大质量黑洞。这个超大质量黑洞是如何形成的?它对整个星系的形成和演化起到了什么作用?是黑洞先形成，还是星系先形成?ATLAST也许能给我们一个解答。
除了在可见光和紫外波段以外，天文学家们还筹划着另外两架分别工作在远红外和X射线波段的大型空间望远镜。在远红外波段有两个可选的方案，8米的单镜面望远镜或者是16米的拼合镜面望远镜。它们可以看到通常看不到的天体辐射，深入被尘埃包围的原恒星，一窥它们的形成过程。相对于口径只有1米的“钱德拉”X射线天文台而言，不难想象口径8米的X射线空间望远镜会有多么的强大。它会观测大爆炸几亿年之后形成的第一代的恒星、黑洞和星系，研究它们的演化。
尽管面临着技术和财政上各种各样的困境，但是火炬终将传到JWST和下一代空间望远镜的手上。
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