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“鸽王” 韦伯上天之前,你需要知道这些

几经延宕、多次延期之后,今天,我们终于能站在2021年的发射节点,见证 “鸽王” 韦伯望远镜飞翔的历史性时刻。
 

撰文 | 王一苇

责编 | 冯灏

今年圣诞节,全世界的天文学家们大概都过不安稳。

他们的心悬在南美洲北部法属圭亚那的海滨城市库鲁——在那里,詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope,以下简称韦伯望远镜)预计将随着欧洲空间局的阿丽亚娜5号(Ariane 5)火箭于美国东部时间12月25日早晨7点20分(北京时间12月25日晚8点20分)升空,前往距离地球150万公里的太空开展观测。

 

图1 已经完成了所有组装和所有测试的詹姆斯·韦伯望远镜 | 图源:NASA/Chris Gunn

韦伯望远镜承载着几代天文学家对揭开宇宙终极谜题的期待。宇宙的边界在哪里?太阳系外有外星人吗?韦伯或许能够找到这些问题的答案。

“它是一个开启新时代的仪器,比以前的仪器强大太多了。” 北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员江林华说。

他说,韦伯也许还会带来超越人们想象力边界的发现。“当一个强大的工具摆在你前面的时候,很多东西是未知的。也许韦伯上天几年之后,我们会发现远超我们想象的一些东西。哈勃望远镜就是一个例子,人们从来没想象过哈勃会产生这么多的成果,能观测接近可视宇宙的边缘。”

图2 韦伯望远镜(左)和哈勃望远镜(右)对比 | 图源:NASA官网

韦伯望远镜的发射,是 “千呼万唤始出来”。

从构想提出到定下最终发射时间,历经30余年,最早一批参与韦伯望远镜构想的青年科学家,如今已年近古稀。

韦伯因此被戏称为 “鸽王”:其预定的发射日期多次延宕,项目经费也如滚雪球般膨胀,从最初的5亿美元预算一路提高到100亿美元,甚至挤掉了美国宇航局(NASA)多个大型项目,以至于美国天文学界称之为“吃掉了天文学的望远镜” [1]。

韦伯将带来什么样的发现?这一耗费巨大人力物力、承载了太多期望与梦想的项目,最终能否证明它的价值?


 能看到“宇宙黎明”的时间机器 
 

主流的天文学理论认为,宇宙诞生至今已过了约137亿年。在最初的大爆炸(Big Bang)后,宇宙经历了一段黑暗时期(Dark Age),然后,第一颗恒星诞生了,更多的星系也随之而来。这些蕴含巨大能量的天体早在地球诞生之前就已经在宇宙中闪烁。

地球诞生在45.4亿年前,随着宇宙持续膨胀,星系不断离我们远去。最早诞生的那些星系离我们也最远。它们向外热辐射产生的光经过上百亿年的长途旅行到达地球、进入天文学家们的望远镜时,不仅十分暗弱,而且因为宇宙膨胀造成的 “红移” 现象,这些光的波长改变,由紫外线和可见光变成了红外线。

要观测这些光线,就需要能观测红外波段、且清晰度高的望远镜。

由于地球上的大气会阻挡来自太空的大部分红外线,地面望远镜观测红外波段的能力非常有限。在太空中放置望远镜成了唯一的选择。

1990年上天的哈勃望远镜在宇宙早期星系的观测上贡献颇多,目前人类观测到的宇宙最古老星系GN-z11就是由它拍摄到的,但哈勃在红外波段的观测仍然十分有限。哈勃主要探测的是光谱上波长从0.1到0.8微米的紫外线和可见光,和部分波长在0.8到2.5微米的红外光。

图3 哈勃望远镜观测的波长范围为紫外线、可见光和部分红外波长 | 图源:NASA官网

另一个已于2020年退役的太空红外望远镜斯皮策空间望远镜(Spitzer Space Telescope)覆盖波长为3-180微米,但其镜面直径仅为0.85米,观测能力有限。

相比之下,韦伯望远镜观测的光波长在0.6到28微米之间,涵盖了可见光到中红外光。它的设计填补了太空望远镜红外波段观测的缺口。

韦伯的镜面直径为6.5米,比哈勃的2.4米直径镜面大了不少,这也意味着在同样的波段,韦伯收集光子的能力更强,可以看得更清晰。同一个波段的空间分辨率,韦伯大概是哈勃的2.7倍(即口径大小之比),收集光线的能力大约是哈勃的6.25倍。

“由于收集光子的能力强,(韦伯的拍摄景深)比之前任何的望远镜都深得多,在同一片天空里拍到的星系也就更多,” 江林华说,“它还有非常强大的光谱拍摄功能。”

图4 哈勃镜面(左)与韦伯镜面(右)大小对比 | 图源:NASA官网

江林华期待看到韦伯视野下的宇宙。他的团队曾在2019年证实了GN-z11是宇宙中已知最古老的星系,其诞生距宇宙大爆炸仅4亿年,但在它之外,是否还有更古老的星系?这个连哈勃也回答不了的问题,韦伯也许能找到答案。

“科学上它能解决很多的问题,不仅是星系的问题,至少能把早期宇宙研究大大地推进一步,” 江林华说。例如,宇宙诞生初期厚厚的中性氢是如何消散的,天文学家们也可能通过韦伯获得答案。

图5 观测宇宙的起源,图源:NASA官网

韦伯望远镜最初的设计师之一、加州大学圣克鲁斯分校教授 Garth Illingworth 将韦伯望远镜观测的场景称为 “宇宙黎明(cosmic sunrise)” [2]。韦伯就像一个时间机器,能以前所未有的精度和深度看到宇宙诞生之初的光亮如何迸发。韦伯望远镜四大科学目标 [3] 中的两个与之相关,即观测宇宙第一批恒星和星系,和了解数十亿年来星系是如何组装的。

除了看得深、看得全,韦伯的另一个特点是它能穿透尘埃层看到背后的星系。也因此,它非常适合用来观测那些被厚厚尘埃层包围的、正在形成的恒星和原行星系统。这也正是它的科学目标之一。

图6 哈勃采用可见光观测和红外观测在船底座星云天区的成像对比,可以看到,红外观测能够穿透星云尘埃,识别隐藏在背后的恒星 | 图源:NASA官网

除了观测原初宇宙的样貌,韦伯望远镜的另一个重要任务是分析系外行星的大气组成,寻找生命存在的痕迹。它强大的光谱分析能力能够帮助天文学家找到处于宜居带的行星(即距离其恒星远近合适的行星),并分析这些行星是否含有合适的大气成分。


 一个“不能失败”的项目 

寄托在韦伯望远镜身上的希望有多大,害怕它失败的恐惧就有多深。

《自然》杂志曾经评论,如果韦伯望远镜失败,天文学的进展将“推迟一个世代” [1]。

风险客观存在。与哈勃望远镜在环地轨道运行不同,韦伯望远镜将驻扎在离地球150万公里、需要一个月才能到达的拉格朗日L2点。这意味着近地红外干扰更少,但也意味着韦伯望远镜一旦进入太空,就要依靠自身稳定性,即使出了故障也没有机会再维修。

 

图7 韦伯望远镜、哈勃望远镜与地球距离示意图 | 图源:NASA官网

尽管NASA的项目通常遵循 “像飞行一样测试(test as you fly)” 原则,即创造尽可能接近太空实际情况的条件测试飞行器,但保不准哪里会出故障。哈勃望远镜就是一个先例。1990年发射之后,它传回来的图像一片模糊,NASA才发现哈勃的镜面在磨制过程中出现设备校准失误,虽然误差仅有1/50头发丝厚度,但导致聚焦出现问题 [4]。这个问题直到1993年NASA派宇航员给哈勃安装了校正器才解决。

一方面,韦伯望远镜指望不上维修人员;另一方面,它的构造比哈勃望远镜更为复杂。6.5米的铍制镀金主镜由18片活动的六边形镜面构成,在空间有限的火箭舱内需要折叠起来,到了轨道上再展开。

图9 韦伯望远镜折叠后放入火箭的示意图 | 图源:NASA官网

“活动的部件越少,在工程上越保险,” 江林华说,“韦伯就是活动的部件太多了,不能排除在某些部件上会出一些小故障。”

韦伯望远镜还携带了五层轻薄的聚酰亚胺遮光板,发射的时候是折叠的,而到了太空中,每一层都需要在合适的角度展开成一个网球场大小,才能保护韦伯望远镜不受太阳光的照射,与韦伯自带的制冷设备一起维持仪器运行所需要的零下223度超低温环境。

韦伯望远镜项目最早的参与科学家之一 Marcia J. Rieke 将遮光板打开的过程称为“这个项目最令人提心吊胆的部分”。“如果它不能正确地展开,这趟任务就完蛋了,因为(仪器)不能降温,会过热。“ [5]

过热意味着有红外线干扰,韦伯就无法准确接收遥远的红外信号。这就好像一个人想要听清远处树上的蝉鸣,身边却满是蝉叫声。

为了在太空中舒展自己、调整角度达到最佳的观测状态,韦伯望远镜在发射后需要花上6个月的时间才能正式开始工作。这个时长是前所未见的,江林华说,自己初次听说的时候也感到有些惊讶。

正因为面临如此多的不确定性,科学家们在韦伯的组装和测试过程中显得尤为小心谨慎。

2018年,韦伯望远镜曾经因为组装过于复杂而(再次)推迟发射时间。而高昂的测试费用也造成了它的总预算不断攀升。每一个部件完成后都需要组装和测试,连用于测试韦伯望远镜的技术和仪器,例如曾经用于阿波罗计划测试的休斯顿约翰逊空间中心的高温真空室(Chamber A)[6],也需要大规模的升级以完成这些测试 [7]。

这个过程中,科学家们一方面担心如果测试没做到位,机器上天之后会出问题,另一方面又忧虑高昂的测试费用造成的负担,可能会导致整个项目停摆。无论哪种情况,后果都没人承担得起。

而这只是韦伯望远镜建造过程中,技术、预算和科学目标激烈冲突的一个小小缩影。

韦伯望远镜的雏形来自于1989年NASA在马里兰州召开的研讨会,当时称为“下一代太空望远镜(The Next Generation Space Telescope)”。

1993年时,韦伯望远镜的设计是至少4米的镜面。到了1995年,NASA的局长Daniel Goldin认为技术可以支持制造6到8米的镜面。当时的预算是5到10亿美元,尽管有些科学家认为基于要发展的技术,这个预算很可能不够。[1]

Goldin信奉 “快好省(faster, better, cheaper)”的原则,但在90年代末一系列任务的失败后,NASA回归了传统的重测试模式以降低发射风险,这也使得韦伯的造价直线上升,交付时间则不断延后。

“资金和时间是强相关的,一般的大项目每推迟一年,资金就要增加10%,这是无底洞,” 江林华说,“欧美国家人力成本实在太高了,工资成本等是一个巨大无比的数字。”

而随着时间的推移,新技术不断涌现,科学家们也不断在韦伯的任务中加入更多的功能——毕竟,一个天文学家一生中经历这样巨型项目的机会也许只有一次——而逐渐复杂的设计进一步拖延了项目进程。

“我去美国学习的时候,已经知道2007、2008年是完全不可能实现的了,已经往后推了,” 江林华2003年去美国读博,并在2011-2014年成为哈勃学者,在亚利桑那州立大学工作。“他们又增加了很多新的技术,一些事最开始设计的时候根本没想到的,然后里面的仪器,比如光谱仪中快门打开的方式,也采用了最新开发的技术。” 他说,添加新的技术不仅使成本增加,风险也相应提高了。

天文学家们的工作围绕着仪器进行。为了筹备韦伯上天后的研究,江林华常常要参与国际会议、和同行商议项目申请的问题。但韦伯项目耗时太长,”国际上一些讨论完了之后,听到又推迟一年,只好扔在一边歇歇,该干嘛干嘛去,过一阵再讨论,又推迟了,激情就一次一次给消化没了。”

吐槽归吐槽,天文学界仍然对该项目寄予厚望。2011年,美国众议院拨款委员会在预算案中大幅降低NASA的预算,并要求终止韦伯望远镜项目,理由是韦伯望远镜的花费远超预期,同时工程进度滞后。这一决定招致了天文学界的联合抗议。一场独立调查后,NASA重新计划了韦伯望远镜项目,并设定发射时间为2018年。[8]

而到了2018年,项目再次延期至2021年,并再次追加10亿美元的投资。即使到了2021年发射前,发射时间也因为发射准备过程中的震动和天气原因,从12月18日延迟至22日、24日,最终到了25日。[9]

今天,我们终于能站在2021年的发射节点上,见证 “鸽王” 飞翔的历史性时刻。


空间望远镜的现在与未来

韦伯望远镜项目由NASA发起,欧洲空间局和加拿大空间局共同参与,中国未参与研制。

不过,韦伯望远镜未禁止中国科学家申请其科研项目。2021年3月,NASA公布了韦伯望远镜第一年的 “周期一”(Cycle 1)科学计划。他们从来自44个国家的科学家提交的1000多份项目计划书中选出了286份,这些团队将分享韦伯望远镜第一年6000个小时的观测数据 [10]。

这些项目一般由领域内拔尖的科学家合作申请,跨国合作很常见。江林华作为合作方参与了这些项目中的5个课题,涵盖早期星系和类星体(活跃的超大质量黑洞)等研究。他说,项目的申请有严格的同行评议过程,难度较大。而这些项目一般仅向美国本土的首席科学家提供资金支持。

在“周期一”之前,韦伯望远镜还设置了 “自由裁量早期发布科学项目“,研究者可以申请韦伯望远镜前五个月的观测数据 [11]。这段时间的数据对于其他科学家没有保密期。

韦伯望远镜才刚要扬帆起航,美国对于下一代空间望远镜的规划已经在路上。美国国家科学、工程和医学学院每十年发布一次由NASA等美国官方机构赞助的 “天文学十年调查”,指出未来亟需解决的天文学问题、亟需发展的天文学技术和亟需投资的研究方向。

2020年,该调查 [12] 提出,由于研制下一代太空望远镜往往”需要巨大花费和时间“,建议NASA创建 “大天文台任务和技术成熟计划”,为多任务概念的技术开发提供早期投资,以在项目变得过于复杂、庞大和昂贵之前降低项目的风险和成本。调查还建议将大型红外/光学/紫外空间望远镜和战略远红外和X射线任务作为排在首两位的项目。

韦伯望远镜早在哈勃上天之前就开始规划,才将将在30年后补上美国大型轨道天文台计划(Great Observatories)的四个太空望远镜的技术空缺。这无疑印证了运营哈勃望远镜的太空望远镜科学研究所所长 Riccardo Giacconi 在20世纪80年代的预见:一次小团体会议上,他告诉 Garth Illingworth 和年轻的同行们,要开始着手准备新一代望远镜的研制,因为 “相信我,这会花上很长时间”。

中国是否能支持这样的大型项目?江林华认为,在现行的科研体制下并不乐观。他提到引力波探测项目和开普勒望远镜对于系外行星的观测发现,两者都经历了几十年发展,在长期一无所获的情况下,科学家仍然坚持探索,尽管困难仍然获得了持续的资金投入。中国的科研评价多以五年为一个单位,而很多大科学项目的规划时间往往是三十年起。

“做科研项目,我们往往可以用5年达到95%的性能,但可能要用15年的时间,把另外5%做到极致”,他说,“现在中国的项目很多,要用非常短的时间,取得95%的效果,但自然科学的突破性成果往往是在最后5%。我们现在很多情况是耗不起。”

江林华说,尽管有重重的技术难度,他仍然希望中国能有自己的红外太空望远镜。中国在空间望远镜的某些关键技术上落后西方国家很多。“但希望我们能尽快追赶上。”  

 

参考文献:

[1]https://www.nature.com/articles/4671028a

[2]https://www.youtube.com/watch?v=VIUjvpwBKP8

[3]https://www.nasa.gov/mission_pages/webb/science/index.html

[4]https://www.nasa.gov/content/hubbles-mirror-flaw

[5]https://www.youtube.com/watch?v=1xVuxr2nUUk

[6]https://www.gao.gov/products/gao-18-273

[7]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/nasas-apollo-era-test-chamber-now-james-webb-space-telescope-readyhttps://www.scientificamerican.com/article/mirror-on-the-cosmos-nasa-s-next-big-telescope-takes-shape/

[8]https://www.jwst.nasa.gov/resources/JWSTAPSJuly132011revA.pdf

[9]https://www.nytimes.com/2018/06/27/science/webb-telescope-nasa.html

[10]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-james-webb-space-telescope-general-observer-scientific-programs-selected

[11]https://www.stsci.edu/jwst/science-execution/approved-ers-programs

[12]https://www.nationalacademies.org/our-work/decadal-survey-on-astronomy-and-astrophysics-2020-astro2020#sectionPublications



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