解密「詹姆斯·韋伯太空望遠鏡」的歷史鏡像——競賽、夢(mèng)想與顛覆

一個(gè)關(guān)于光的復雜故事。

北京時(shí)間12月25日20時(shí)22分，近乎純白色的“阿麗亞娜5號”運載火箭正式點(diǎn)火，超過(guò)115噸的推進(jìn)力讓整個(gè)發(fā)射臺都開(kāi)始劇烈顫抖。

但從緩慢“起身”到快速爬升只用了幾秒鐘，伴隨著(zhù)綿綿細雨和巨大轟鳴聲，這次旅行的“乘客”——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，與火箭一起以驚人的速度離開(kāi)地表，向150萬(wàn)公里之外的旅途終點(diǎn)飛去。

圖 | 150萬(wàn)公里外的格拉朗日點(diǎn)是這次旅程的終點(diǎn)

可以說(shuō)，韋伯望遠鏡是否能成功運轉，對你、我及整個(gè)人類(lèi)的未來(lái)息息相關(guān)——學(xué)界普遍認為，她將點(diǎn)亮宇宙這個(gè)“暗室”、回溯宇宙的開(kāi)端，并極有可能改變甚至顛覆我們對宇宙、世界、乃至物質(zhì)的認知。

然而，關(guān)于這個(gè)從設想到修建、再到發(fā)射，足足用了近30年的設備來(lái)說(shuō)，背后的許多故事和許多細節卻仍鮮為人知：

·為什么NASA愿意花百億重金修建太空望遠鏡？

·哈勃望遠鏡與韋伯望遠鏡究竟是啥關(guān)系？

·為什么韋伯望遠鏡的預算會(huì )翻了20倍：從5億美元一路上漲到100億美金？

·為何在已經(jīng)花費了大幾十億美金時(shí)，韋伯望遠鏡差點(diǎn)被美國國會(huì )“槍斃”？

·已經(jīng)修好的韋伯望遠鏡為何為何此前屢屢被推遲發(fā)射？

·如果一切正常運轉，誰(shuí)可以使用韋伯望遠鏡？

……

而這些問(wèn)題的答案，我們將在這篇文章中一一為你揭曉。

一、競賽、嘴炮和NASA

世上本無(wú)韋伯望遠鏡，一切還要從“太空競賽”與NASA（美國國家航空航天局）的建立說(shuō)起。

某種意義上，二戰結束即是美蘇爭霸的開(kāi)端。很快，冷戰的覆蓋范圍從軍備競賽輻射到了方方面面。

由于雙方手中都掌握了大量被俘的德國火箭技術(shù)與專(zhuān)家，從對遠程導彈的研制和較量，就開(kāi)始逐漸加碼到了對太空探索技術(shù)的比拼上。

1957年10月，向來(lái)認為自己在“導彈和航天領(lǐng)域”處于領(lǐng)導地位的美國人遭到了沉重打擊：蘇聯(lián)成功地將第一枚人造衛星“斯普特尼克1號”送入太空，這讓此前對國內大力宣傳“蘇聯(lián)只是個(gè)落后國家”的美國政府頗為狼狽，引起美國朝野震動(dòng)，史稱(chēng)“斯普特尼克危機（Sputnik crisis）”。

圖 |斯普特尼克-1號紀念郵票

在國會(huì )不斷的施壓下，1958年7月，盡管并不十分情愿，時(shí)任美國總統的艾森豪威爾還是正式批準成立了NASA和推動(dòng)“水星計劃”，隨后在1960年，又推出了雄心勃勃的“阿波羅登月計劃”。

圖 | 阿波羅計劃標志

自此，燒錢(qián)無(wú)數的“太空競賽”正式打響。

轉眼到了1961年，約翰·肯尼迪總統上任，與艾森豪威爾不同，新總統對航天領(lǐng)域表現得極為“熱衷”，并在競選時(shí)承諾：要使美國在航天探索和導彈防御上全面超過(guò)蘇聯(lián)。

然而事實(shí)證明肯尼迪有點(diǎn)“嘴炮”。上任后的肯尼迪卻對撥巨款支持美國航空事業(yè)“猶豫不決”，不僅并未全力支持“阿波羅登月計劃”，還打算砍掉不少花費大、回報慢的項目。但頗有遠見(jiàn)的是，他力排眾議，讓當時(shí)并非是行業(yè)專(zhuān)家的詹姆斯·韋伯做了NASA的第二任局長(cháng)。

圖 | 詹姆斯·韋伯，NASA的第二任局長(cháng)

直到1961年4月12日，蘇聯(lián)航天員尤里·加加林成為了首次進(jìn)入航天的人類(lèi)，同時(shí)也再次震動(dòng)美國。同年5月，肯尼迪在公開(kāi)演講中發(fā)誓，要在1961-1970在這十年結束之前“將一個(gè)人送上月球”。自此，肯尼迪政府開(kāi)始加大了對NASA的支持。

圖 | 在這次演講中，肯尼迪發(fā)誓要首先登月

而在隨后的約翰遜政府，NASA甚至得到了進(jìn)一步的強力支持。

圖 | 阿波羅11號起飛時(shí)，已經(jīng)卸任總統的約翰遜在現場(chǎng)觀(guān)看。與前兩任總統不同，在肯尼迪遇刺后，臨危受命的約翰遜是真正熱衷航天領(lǐng)域的總統，他真正大力推進(jìn)了包括阿波羅計劃在內的大量航空項目。

就是在這種背景下，太空望遠鏡項目迎來(lái)了自己的機會(huì )。

二、艱難的開(kāi)路者：哈勃望遠鏡

1962年，美國國家科學(xué)院在一份報告中推薦空間望遠鏡做為發(fā)展太空項目的一部分，并在1966-1972年之間分別發(fā)射了4架軌道天文臺（Orbiting Astronomical Observatory，簡(jiǎn)稱(chēng)OAO）。

圖 | 1960年代的軌道天文臺

盡管4架OAO的發(fā)射與運行狀況有成功也有失敗，但至少證明了在太空中放置望遠鏡是可行的。

于是，在NASA、天文學(xué)界與美國政界的反復拉鋸之后，終于爭取到了3600萬(wàn)美金開(kāi)始正式設計一款更強力的望遠鏡：大型空間望遠鏡（Large Space Telescope），也就是之后的哈勃。

圖 | 哈勃望遠鏡細分圖

經(jīng)過(guò)幾番周折（主要是和國會(huì )要錢(qián)以及對主要配件的制造）后，哈勃望遠鏡在1986年之前完全建好，并計劃在1986年10月發(fā)射。

但悲劇發(fā)生了：1986年1月28日，美國載人航天項目發(fā)生重大事故。“挑戰者號”航天飛機起飛73秒后解體，七名航天員全部遇難。

圖 | 挑戰者號爆炸后幾秒內的照片

而哈勃望遠鏡借助航天飛機進(jìn)入太空的計劃被迫推遲。這一推，就是整整4年。

然而，推遲過(guò)程中花費同樣不?。和h鏡必須保存在一個(gè)潔凈室中，保持通電并用氮氣吹掃，直到重新發(fā)射。這意味著(zhù)每個(gè)月的維護成本就高達600萬(wàn)美元。

實(shí)際上，哈勃望遠鏡的花費早已超出最初的預算，在1986年10月前就已經(jīng)花掉了11億美金。

直到1990年4月24日，航天飛機恢復飛行后，哈勃望遠鏡終于成功搭載“發(fā)現號”升入太空。但令人哭笑不得的是，寄予厚望的的哈勃望遠鏡著(zhù)實(shí)“不給力”，其傳回的第一張圖片模糊不清。

圖 | 第一張哈勃望遠鏡傳回的圖片，模糊不清

NASA意識到了一個(gè)殘酷的現實(shí)：哈勃的零件出了大問(wèn)題。

三、官僚化的NASA，差點(diǎn)被“槍斃”的韋伯望遠鏡

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，問(wèn)題的根源處出自哈勃望遠鏡最主要的配件：主鏡，它的形狀被磨錯了，其鏡面邊緣磨的太平，與實(shí)際需要差了約2.2微米，從而造成了嚴重的球面像差。

對于NASA和天文學(xué)界來(lái)說(shuō)，此時(shí)的路只有兩條：要么維修，要么重建。很明顯，重建是不可能的，維修成為了首要方案。于是，NASA籌劃了“上天維修”計劃，準備讓7名宇航員飛到哈勃望遠鏡附近進(jìn)行維修。

盡管天文學(xué)界對這項任務(wù)充滿(mǎn)“期待”。但NASA認為，究竟能否修好尚在兩可之間。于是，作為美國天文學(xué)界的權威組織，天文學(xué)大學(xué)協(xié)會(huì )（Association of Universities for Research in Astronomy，AURA），成立了一個(gè)由美國主要天文學(xué)家組成的委員會(huì )“HST&Beyond”，一是為了幫助評估修復任務(wù)是否合理有效；二是如果修復任務(wù)失敗，該怎么籌劃新的太空望遠鏡。

幸好，“上天維修”計劃順利完成，哈勃太空望遠鏡終于給出令人滿(mǎn)意的照片。

圖 | 執行第一次維修任務(wù)的宇航員

而HST&Beyond也沒(méi)有放棄之前的努力，1996年5月15日，總結過(guò)去的技術(shù)積累，HST-BEYOND委員會(huì )向NASA提交了一份光看名字很長(cháng)的報告《探索和尋找起源：關(guān)于紫外-光學(xué)-紅外空間天文學(xué)的愿景》（Exploration and the Search for Origins: A Vision for Ultraviolet-Optical-Infrared Space Astronomy），不僅成功勸服NASA讓哈勃望遠鏡至少服役到2205年，同時(shí)還接受了規劃未來(lái)新一代望遠鏡的計劃，這份報告也成為了詹姆斯韋伯望遠鏡誕生的起點(diǎn)。

圖-《Exploration and the Search for Origins: A Vision for Ultraviolet-Optical-Infrared Space Astronomy》

然而，伴隨著(zhù)1991年蘇聯(lián)解體，冷戰徹底結束，政府對天文項目的支持已經(jīng)不像過(guò)往那么多了（尤其是哈勃望遠鏡的超預算巨額投資讓不少人心有余悸）。對于NASA，美國政府提出了“更快、更好、更便宜（faster, better, cheaper）”的要求，總結一句話(huà)就是縮減預算。

然鵝，NASA還是采取了“先立項、后要錢(qián)”的辦法。1997年NASA制定了5億美元預算的“下一代太空望遠鏡”（ Next Generation Space Telescope,NGST）計劃，并在2002年以詹姆斯·韋伯重新命名了該計劃。

圖-韋伯望遠鏡的設計草圖之一

5億美元顯然是不夠的。到2006年，韋伯望遠鏡的開(kāi)發(fā)費用已經(jīng)花了10億美元，預算也沖到了45億美元。2008年，預算來(lái)到了50億美元。

圖-2005年時(shí)，韋伯望遠鏡的計劃

不斷高漲的預算讓美國政客們坐不住了。2011年，韋伯望遠鏡迎來(lái)了最大危機：7月6日，美國眾議院商業(yè)、司法和科學(xué)撥款委員會(huì )提議取消詹姆斯·韋伯項目——此時(shí)已經(jīng)實(shí)際花費了30億美元，75%的硬件正在生產(chǎn)中。

事實(shí)上，學(xué)界也對韋伯望遠鏡項目頗有微詞，因為韋伯望遠鏡占掉了太多的預算?！蹲匀弧冯s志甚至形容稱(chēng)“望遠鏡吞噬了天文學(xué)（ the telescope that ate astronomy）”。

經(jīng)過(guò)多方斡旋，韋伯望遠鏡最終還是得以保留并繼續開(kāi)發(fā)下去。時(shí)至今日，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目已經(jīng)耗資百億美元，是最初預算的二十倍。

圖-詹姆斯·韋伯望遠鏡開(kāi)發(fā)團隊與模型的合影

盡管詹姆斯·韋伯項目最終成功落地，但結合其多次“跳票”足以說(shuō)明，今日的NASA從效率到管理，已不復當年的榮光。

四、百億美元，一次機會(huì )

關(guān)于韋伯望遠鏡的能力，此前網(wǎng)上已經(jīng)有了連篇累牘的報道，這里就不再贅述。

值得注意的是，如果韋伯望遠鏡發(fā)射失敗，或者效果未達預期的話(huà)會(huì )怎么樣？如果一切順利，又有誰(shuí)可以使用韋伯望遠鏡？

首先可以肯定的是，無(wú)論是在發(fā)射途中還是在到達目的地后出現問(wèn)題，韋伯望遠鏡只能“自救”。

150萬(wàn)公里的距離（相當于從地球去四次月球）注定不會(huì )有像哈勃望遠鏡一樣，可以安排人力去修復。百億美金的韋伯望遠鏡只能依靠自己的備選部件，除此之外別無(wú)他法。如果失敗，不僅僅是NASA的元氣大傷，人類(lèi)探索宇宙的這一步又要被推遲到不知何年何月。畢竟，這一項目凝結著(zhù)來(lái)自15個(gè)國家的數千名科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員、258家公司、政府機構和學(xué)術(shù)機構的心血。

而如果正常運轉，韋伯望遠鏡第一年的使用權已經(jīng)被完全分配：將為來(lái)自全球的41個(gè)國家的申請者分配大約6000個(gè)小時(shí)的“黃金時(shí)段”和1231小時(shí)的“并行時(shí)段”。

圖 | 韋伯望遠鏡志在捕捉宇宙的“第一束光”

圣經(jīng)·創(chuàng )世紀章的開(kāi)端之處曾言“And God said, Let there be light: and there was light”?，F在，是時(shí)候讓人類(lèi)看到更多的光了。路途遙遠，祝詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，好運！

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