詹姆斯·韦伯空间望远镜效果图(来源:NASA)
当地时间3月27日,NASA宣布将詹姆斯·韦伯空间望远镜的发射时间推迟至不早于2020年5月,这是自2005年以来,该望远镜第6次推迟发射计划。与此同时,该项目88亿美元的经费也可能随着此次推迟再次增长。面对不断推迟的发射时间以及与日俱增的经费需求,这项史上耗资最大的空间望远镜工程将何去何从?
自从1996年立项以来,全球天文学家一直在等待哈勃望远镜的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST)的升空,但这一次,他们无疑又要失望了。当地时间3月27日,NASA宣布将詹姆斯·韦伯空间望远镜的发射时间推迟至不早于2020年5月,比原计划延迟了近一年。
作出这一决定的原因是,NASA需要对望远镜错综复杂的系统以及出现的问题进行更多测试,包括网球场大小的遮阳罩在展开时出现的撕裂状况。与此同时,该项目88亿美元的经费也可能随着此次推迟再次增长。
推迟计划影响的还有未来十年的空间科学研究计划。美国国家学院需向联邦机构及国会提交一份“十年规划”,其中涉及地面及空间望远镜的发展规划及费用评估。按照原先的计划,下一份规划将在2020年,也就是JWST发射并开始科学实验后发布,但现在,发射时间的推迟显然打乱了原先的规划。
JWST推迟发射的消息早有征兆。在此之前,JWST最昂贵的部分——主镜及科学仪器已经建成并通过测试,已于今年2月初送至航天公司Northrop Grumman进行进一步测试。但随后,美国政府问责局发出警告,称公司在先前认为较为简单的部件上落后于原计划。推进器的阀门在不当清洁中损坏,修复至少需要一年时间。此外,望远镜网球场大小的遮阳罩在展开时出现撕裂的状况,事故原因分析及修复都需要耗费大量时间。
JWST在NASA的科学任务中处于优先级最高的地位,也是美国历史上最大规模的国际空间科学项目。望远镜的硬件设施都已准备就绪,但飞行器中出现的问题迫使我们采取必要的解决措施,以实现这项充满雄心、难度极高的望远镜工程。在哈勃望远镜于近30年前进初登舞台、为我们带回令人惊叹的宇宙面貌之后,人们就期望它的继承者——JWST能用崭新的技术,让我们对宇宙的认识再次实现巨大飞跃。
相比于在地球轨道上运行的哈勃,JWST将会前往远至150万千米外的第二拉格朗日点,在遮阳罩的帮助下,望远镜的温度接近绝对零度。抵达轨道后,JWST将持续运行直至5~10年后燃料耗尽。
通过精密的红外仪器以及直径达6.5米的巨大镜面,位于高轨道的JWST能探测到众多哈勃无能为力的宇宙图景:宇宙最早的恒星和星系;在充满气体、尘埃的早期宇宙中,恒星胚胎的形成过程;其他恒星周围行星的大气层……由此不难理解,为什么在天文学家心中,JWST就是天文学长期发展的基石:如果没有JWST,围绕其建立的众多计划都将崩塌。对于此类毕其功于一役的做法,一些科学家提出了质疑。
像JWST这样,一项任务占据主导地位的情况并不是好事,这会让项目陷入‘重大到不敢失败’的境地,因为耗资如此惊人的项目一定不能失败,你不能理性地威胁取消这一项目,人们也会更加小心谨慎以确保成功,这意味着更多的测试,当然还有进一步上涨的经费。因此,人们陷入了一个正反馈循环中。
当然,无论准备多么充分,JWST仍然存在毁于一旦的风险:或许是由于火箭发射失败被炸成碎片或是坠入海底,或许是精心设计的程序出现故障而错失预定轨道……在2000年的十年规划中,美国天文学家将JWST列为21世纪头十年中优先级最高的项目,当时项目的预算大约为10亿美元。十年后,在JWST项目上的花销已经达到35亿美元——大量经费用于研发必不可少而又造价高昂的新技术。
这时,JWST已经成了一项‘too big to fail’的工程,在2010年的十年规划中,人们只能继续加大投入。同时,报告中还建议开展数项用于辅助、完善JWST的新项目,例如至今仍前途未卜的大视场红外巡天望远镜(WFIRST)。而JWST的发射时间,也推迟到了2014年。随后不久,一项独立调查却发现,JWST项目陷入危机。
由于经费消耗过快,建造望远镜的关键工作不断延期,对后续经费的需求也持续增加。NASA和美国国会重新调研后,将JWST的预算大幅提升至80亿美元(进入太空后,还有8.37亿美元的操作预算),预期发射时间也调整至2018年10月。
到了2017年9月,JWST的发射时间再度推迟至2019年春季,这次的原因一方面是Northrop Grumman公司的设备整合需要更长时间,此外Arianespace公司的火箭发射窗口也需要协调。此次推迟是由推进器及遮阳罩的损毁导致的,而最新的发射时间(2020年5月)则由NASA马歇尔太空飞行中心的Paul McConnaughey所领导的独立调查团队得出。
参与该项目的官员相信,即使延迟发射导致费用超支,也只会超出几个百分点。即便如此,要确保JWST在尽可能少的经费超支的前提下赶上2020年的发射窗口,NASA依然面临着巨大的压力。为此,NASA罕见地组建了第二只独立调查团队,这支团队由NASA戈达德太空飞行中心的前主任Thomas Young领导,目的是确定JWST能否在不超支的前提下赶上发射日期。
2017年12月,Young在国会上指出:‘JWST目前所处的阶段是,唯一的评判标准就是项目的成功。只要能够使成功概率最大化,任何合理的事情都应该去做。在这个阶段,无论是数天、数个星期甚至数月的延迟,还是一定程度的费用超支,相比于整个项目的最终成功,都只是很小的代价。’与此同时,2010年的十年规划中最高优先级的WFIRST项目也陷入了项目延期、经费增长的困境。
特朗普在2019财年的白宫预算中,提议将WFIRST项目完全取消,而国会和空间科学部门则坚决反对这一议案。由于在可预见的将来,预期经费可能会始终不景气,NASA官员表示,JWST超支的费用很可能会从WFIRST项目中扣除,这又会反过来导致后续项目进一步的延迟及费用超支。其直接后果是,原先预期与JWST同时进行的项目只能延后。
科学团队的共同领导人之一、普林斯顿大学天体物理学家David Spergel承认,这样的交易值得一做:‘JWST是NASA历史上最复杂的工程项目之一,同时也是最具难度的科学项目。我们对延期很失望,所有人都对JWST返回的科学成果翘首以盼。但是,为了确保项目的最终成功,最好需要适度的延期和经费超支。’
其他有影响力的天文学家对此表示赞同,尽管很不情愿。亚利桑那大学的天体物理学家Marcia Rieke说:‘当某个项目延期的时候,你肯定开心不起来,因为这意味着下一个项目也会不可避免地延期。’Rieke是JWST的近红外相机(NIRCam)设备的项目负责人,他也是美国科学院天文学与天体物理学委员会的主席之一。该委员会与NASA、美国科学基金会和美国科学院空间研究委员会一起,协助制订十年规划。
Rieke说,JWST和WFIRT面对的难题,有可能会导致下一个十年规划被推迟,而这至少也会令其他领域,尤其是行星科学下个十年规划的制订错失时机。或者,天文学家可以先不管JWST是否成功,仍按时制订新的天文学规划,只要新的规划把这些陷入困境的望远镜视为优先事项,并且让那些同样雄心勃勃的未来项目从中吸取教训。
Rieke称:‘十年规划本来就是要衡量我们可以实际达成什么,所以它总是身处挑战极限和切实可行之间的狭窄缝隙中。换句话说,最简单的解决方案就是直接按计划制订下一个十年规划,并建议NASA在21世纪的下个十年中,寻求更小更廉价的空间望远镜组合。这样的前景令一些天文学家感到了一丝寒意,他们本来希望能利用JWST项目耗费巨资开发出的新技术来建造更大的空间望远镜。
这些天文学家希望,更大的望远镜有能力对邻近恒星周围的行星进行直接成像观测,从而寻找生命的迹象。一位资深天文学家表示:‘我现在担心的是,天文学界会过于担心成本,以至于在下个十年中不提出任何大型望远镜方案。’由于话题在政治上的敏感性,这个天文学家要求匿名发表意见,他认为:‘这将导致美国在2030年之前都不会有什么大项目。甚至有可能直到2050年,才会真正建造和发射颇具雄心的望远镜。
资金可以在不同规模的项目之间流转的想法是错误的。如果NASA在JWST和WFIRST之后不去推进其他重大战略项目,那么无法保证国会能把“省下来”的钱拨给较小的项目。那些钱更有可能投入到载人探月项目,或者与NASA完全无关的项目去。如果我们不够谨慎,这将有可能彻底终结美国空间天文学的黄金时代。