詹姆斯·韦伯太空望远镜已经面世很久了。当今年晚些时候发射时，该天文台将成为有史以来送入轨道的最大、最复杂的望远镜。自 1989 年以来，科学家们一直在为这个独特的工具起草和重新起草他们的梦想和计划。
该任务原定于 2007 年至 2011 年期间发射，但一系列预算和技术问题将其启动日期推迟了十多年。值得注意的是，望远镜的核心设计没有太大变化。但它可以挖掘的科学有。在等待韦伯做好准备的这些年里，重大的科学问题出现了。当韦伯还是天文学家眼中的早期光芒时，诸如暗能量和太阳系外绕恒星运行的行星的发现等宇宙学革命尚未发生。
“已经过去 25 年多了，”芝加哥大学的宇宙学家温迪·弗里德曼 (Wendy Freedman) 说道。“但我认为这真的值得等待。”
一个大胆的计划
韦伯有一个独特的设计。大多数太空望远镜在管子内装有一个透镜或镜子，可以阻挡阳光淹没宇宙的昏暗光线。但韦伯的 6.5 米宽的巨型镜子及其科学仪器暴露在太空的真空中。网球场大小的多层防护罩将阻挡来自太阳、地球和月球的光线。
为了适应火箭的尴尬形状，韦伯将折叠起来发射，然后在太空中展开自己（见下文，可能会出现什么问题？）。
“他们称之为折纸卫星，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所 (STScI) 的天文学家斯科特·弗里德曼 (Scott Friedman) 说道。弗里德曼负责韦伯的发布后编排。“韦伯望远镜不同于任何其他已飞行的望远镜。”
新颖的设计
一旦一切展开，詹姆斯·韦伯太空望远镜的遮阳罩将跨越网球场的长度，以保护主镜和副镜免受太阳、月亮和地球的光和热的影响。暴露在阳光下的太阳能电池板会将光能转化为电能，为仪器提供动力。韦伯的天线将使其与地球上的科学家保持通信，从科学仪器发送数据。稳定襟翼可防止机器偏离航线。
其基本设计已超过 25 年没有改变。该望远镜于 1989 年 9 月在 STScI 举办的研讨会上首次提出，该机构还负责运行哈勃太空望远镜。
当时，哈勃望远镜距离发射还不到一年，预计只能运行 15 年。发射三十一年后，尽管出现了一系列计算机故障和陀螺仪故障，该望远镜仍然运行良好（SN 在线：10/10/18）。
时任研究所所长 Riccardo Giacconi 担心下一个重大任务将需要 15 年以上的时间才能启动。因此，他和其他人建议 NASA 研究哈勃的可能继任者：一台带有 10 米宽主镜的太空望远镜，对红外波长的光敏感，以补充哈勃的紫外、可见和近红外范围。
红外光的波长比人眼可见的光更长。但它非常适合用望远镜来回顾过去。因为光以固定的速度传播，所以观察宇宙中遥远的物体就意味着看到它们过去的样子。宇宙正在膨胀，因此光线在到达我们的望远镜之前会被拉伸。对于宇宙中最遥远的物体——第一批聚集在一起的星系，或者第一批在这些星系中燃烧的恒星——最初以较短波长发射的光一直延伸到红外线。
贾科尼和他的合作者梦想有一台望远镜能够探测到来自最早星系的拉伸光。当哈勃开始分享其对早期宇宙的看法时，这个梦想变成了一个科学计划。自 1995 年以来一直在 STScI 工作的詹姆斯·韦伯太空望远镜项目负责人、天文学家马西莫·斯蒂维利 (Massimo Stiavelli) 表示，哈勃在很远的距离看到的星系“看起来与人们的预期不同”。“人们开始认为这里有有趣的科学。”
1995 年，STScI 和 NASA 委托撰写一份报告来设计哈勃的继任者。该报告由加利福尼亚州帕萨迪纳卡内基天文台的天文学家艾伦·德雷斯勒 (Alan Dressler) 领导，建议建立一个配备 4 米宽镜子的红外太空天文台。
望远镜的镜子越大，它能收集到的光就越多，看得更远。4 米并不比哈勃 2.4 米宽的镜子大多少，但任何更大的镜子都很难发射。
德雷斯勒于 1995 年底向时任美国宇航局局长丹·戈尔丁 (Dan Goldin) 做了简报。1996 年 1 月，在美国天文学会年会上，戈尔丁向科学家们提出挑战，要求他们更加雄心勃勃。他叫出了德雷斯勒的名字，说道：“你为什么要这么卑微的事情呢？为什么不追六七米呢？”（距离贾科尼 10 米的天上掉馅饼的愿望还差得很远。）演讲赢得了全场起立鼓掌。
六米的镜子比太空中飞行过的镜子都要大，也比现有运载火箭所能容纳的镜子还要大。科学家们必须设计一个可以折叠的望远镜镜子，然后在到达太空后展开。
望远镜还需要通过向太空辐射热量来被动冷却自身。它需要一个遮阳罩——一个大的。折纸望远镜诞生了。2002 年，它被称为詹姆斯·韦伯 (James Webb)，代表 1961 年至 1968 年的 NASA 局长，在日益以人类为中心的太空计划中，他努力支持研究，以增进对宇宙的了解。（为了回应 5 月份的改名请愿书，NASA 调查了詹姆斯·韦伯在其政府生涯中迫害同性恋者的指控。该机构于 9 月 27 日宣布，没有发现任何证据证明需要改名。）
意见不一
韦伯将观测宇宙的波长大部分比人类能看到的波长（0.38 至 0.7 微米）和哈勃太空望远镜可以观测到的波长长，但比斯皮策太空望远镜的大部分范围短。这种红外视图可以让望远镜观察更远并透过尘埃云看到。
电磁频谱
戈尔丁在 NASA 的座右铭是“更快、更好、更便宜”。对于韦伯来说，越大越好，但它肯定不会更快，也不会更便宜。到 2010 年底，该项目的预算比 51 亿美元多了 14 亿美元（SN：2011 年 4 月 9 日，第 14 页 22）。还需要五年时间才能做好准备。如今，成本估计接近 100 亿美元。
该望远镜在国会差点取消的情况下幸免于难，其发射时间表被重置为 2018 年 10 月。但在 2017 年，发射被推迟到 2019 年 6 月。2018 年又两次延误，将起飞推迟到 2020 年 5 月，然后推迟到 2021 年 3 月。其中一些延误是因为组装和测试航天器的时间比 NASA 预期的要长。
其他速度减慢是由于人为错误造成的，例如使用错误的清洁溶剂，从而损坏了推进系统中的阀门。最近由于冠状病毒大流行而导致的停工将发射时间又推迟了几个月。
“我认为我们从未想过会这么长，”负责德雷斯勒报告的芝加哥大学弗里德曼说。但还有一线希望：科学继续前进。
年龄冲突
德雷斯勒报告中列出的第一个科学目标是“详细研究银河系等正常星系的诞生和演化”。斯蒂亚维利说，这仍然是一个梦想，部分原因是这是一个雄心勃勃的目标。
“我们想要一个经得起时间考验的科学原理，”他说。“我们不想建立一个在你完成之前就以其他方式完成的任务。”
韦伯将窥视大爆炸后仅 4 亿年的星系和恒星，天文学家认为，在这个时代，第一个微小星系开始通过从宇宙氢中剥离电子，使宇宙对光透明。
但在 20 世纪 90 年代，天文学家遇到了一个问题：宇宙中似乎没有足够的时间来形成比天文学家已经看到的更早的星系。当时的标准宇宙学认为宇宙已有 80 亿或 90 亿年的历史，但银河系中有些恒星的年龄似乎约为 140 亿年。
“年龄冲突浮出水面，”弗里德曼说。“宇宙不可能比最古老的恒星还年轻。人们的说法是，‘你的年龄不能比你的祖母大！’”
到达那里
韦伯将从太空中一个名为 L2 的稳定点绕太阳运行，距地球 150 万公里。该望远镜将在发射后的第一个月达到这一点并展开其遮阳罩和镜子。遮阳罩将始终面向地球和太阳，使它们的光和热远离望远镜的敏感仪器。一旦到达 L2，望远镜将在收集数据之前再花费五个月的时间打开和测试其科学仪器。
韦伯前往 L2
1998 年，两个宇宙学家小组表明宇宙正在以不断加快的速度膨胀。一种被称为暗能量的神秘物质可能正在推动宇宙膨胀得越来越快。这种加速膨胀意味着宇宙比天文学家之前认为的更古老——目前的估计约为 138 亿年。
“这解决了年龄冲突，”弗里德曼说。“暗能量的发现改变了一切。”它还扩大了韦伯的待办事项清单。
暗能量
最重要的是要找出宇宙测量中不匹配的根源。至少自 2014 年以来，测量宇宙膨胀率（称为哈勃常数）的不同方法一直给出了不同的答案。弗里德曼称这个问题为“当今宇宙学中最重要的问题”。
弗里德曼说，问题在于这种不匹配是否真实存在。真正的不匹配可能表明暗能量本质和宇宙历史的一些深刻的东西。但这种差异可能只是由于测量误差造成的。
韦伯可以帮助解决这场争论。确定哈勃常数的一种常见方法是测量遥远星系的距离和速度。测量宇宙距离很困难，但天文学家可以使用已知亮度的物体（称为标准蜡烛）来估计它们。如果您知道该物体的实际亮度，您可以根据它在地球上的亮度来计算其距离。
使用超新星和称为造父变星的变星作为蜡烛的研究发现，物体之间的距离大约每 300 万光年（即百万秒差距），膨胀率为每秒 74.0 公里。但使用红巨星，弗里德曼和同事得到了一个较小的答案：69.8 km/s/Mpc。
其他研究通过观察大爆炸后 38 万年发出的微弱光（称为宇宙微波背景）来测量哈勃常数。基于该辉光的计算得出的速率仍然较小：67.4 km/s/Mpc。尽管这些数字看起来很接近，但它们完全不同的事实可能会改变我们对宇宙内容及其随时间演变的理解。这种差异被称为宇宙学危机（SN：2019 年 9 月 14 日，第 14 页 22）。
在第一年，韦伯将观察超新星研究中使用的一些相同的星系，使用三种不同的物体作为蜡烛：造父变星、红巨星和被称为碳星的特殊恒星。
该望远镜还将尝试使用遥远的引力透镜星系来测量哈勃常数。弗里德曼说，将这些测量结果彼此进行比较，并与哈勃的类似测量结果进行比较，将表明早期的测量结果是否只是错误的，或者测量结果之间的紧张关系是否真实存在。
如果没有这些新的观察结果，“我们只会永远争论同样的事情，”她说。“我们只是需要更好的数据。[Webb] 已准备好实现这一目标。”
系外行星
也许韦伯科学最大的变化是系外行星探索领域的兴起。
“当这一点被提出时，系外行星几乎还不算什么，”STScI 的弗里德曼说。“当然，现在它是整个科学领域最热门的话题之一，尤其是天文学领域。”
德雷斯勒报告为哈勃的继任者设定的第二个主要目标是“探测其他恒星周围的类地行星并寻找它们上存在生命的证据。”但早在 1995 年，人们就知道只有少数围绕其他类日恒星运行的行星，而且它们都是炽热的气态巨行星，与地球完全不同。
从那时起，天文学家发现了数千颗绕遥远恒星运行的系外行星。科学家现在估计，平均而言，我们在天空中看到的每颗恒星至少对应一颗行星。有些行星体积小，由岩石组成，具有适宜的温度来维持液态水，甚至可能存在生命。
大多数已知的行星都是在它们穿过或凌日在母恒星前面时被发现的，阻挡了母恒星的一点光线。天文学家很快意识到，如果这些行星有大气层，灵敏的望远镜可以通过检查穿过大气层的星光来有效地嗅探空气。
2003 年发射的红外斯皮策太空望远镜和哈勃望远镜已经开始了这项工作。但斯皮策太空望远镜在 2009 年耗尽了冷却剂，导致其温度过高，无法测量系外行星大气中的重要分子。哈勃望远镜对一些最有趣的光波长不敏感——这些波长可以揭示外星生命形式。
这就是韦伯大放异彩的地方。康奈尔大学的系外行星科学家尼科尔·刘易斯说，如果哈勃从门缝里窥视，韦伯就会把门敞开。至关重要的是，与哈勃不同，韦伯将对系外行星大气中的几种含碳分子特别敏感，这些分子可能是生命的迹象。
“哈勃无法告诉我们任何关于碳、一氧化碳、二氧化碳、甲烷的真正信息，”她说。
如果 Webb 在 2007 年推出，它可能会错过整个领域。尽管第一颗凌日系外行星于 1999 年被发现，但在接下来的十年里它们的数量仍然很低。
刘易斯记得，2007 年开始读研究生时，她曾想，她可以为所有凌日系外行星建立一个计算机模型。“因为实际上只有 25 个，”她说。
交通优势
韦伯将通过观察行星穿过恒星前方时来自行星主恒星的光来测量系外行星大气的成分。大气中的原子和分子，例如钠 (Na) 和钾 (K)，吸收星光的某些波长，在到达韦伯探测器的光谱中留下独特的指纹。
2009 年至 2018 年间，美国宇航局的开普勒太空望远镜观测到了数千颗凌日行星。但这些行星太过昏暗和遥远，韦伯无法探测它们的大气层。
刘易斯说，因此过去几年的实际延迟实际上对系外行星研究有利。“发射延迟是韦伯系外行星科学发生的最好的事情之一，”她说。“句号。”
这主要归功于美国宇航局于 2018 年 4 月发射的凌日系外行星勘测卫星 (TESS)。TESS 的工作是寻找围绕最亮、最近的恒星运行的行星，这将为韦伯提供探测行星大气中有趣分子的最佳机会。
如果 TESS 在 2018 年推出，Webb 就必须等待几年才能选出最佳目标。现在，它可以立即开始在这些世界上工作。韦伯第一年的观测将包括探测几颗已知的系外行星，这些行星被誉为可能寻找生命的地方。科学家将调查绕称为 M 矮星的小型冷恒星运行的行星，以确保这些行星甚至有大气层，这是一个一直备受争议的问题。
刘易斯说，如果这些行星上确实出现了生命迹象，那么这个结果也将引起激烈争论。“当这个问题出现时，文献中将会出现一场巨大的混乱。”很难将绕 M 矮星运行的行星与地球进行比较，因为这些行星及其恒星与我们的非常不同。尽管如此，“让我们看看我们发现了什么，”她说。
有限的生命周期
韦伯的组件在诺斯罗普·格鲁曼公司位于加利福尼亚州的工厂组装、测试和折叠后，正在乘船穿过巴拿马运河，准备从法属圭亚那用阿丽亚娜 5 号火箭发射。最近的发布日期定为 12 月 18 日。
对于几十年来致力于韦伯的科学家来说，这是一个令人怀念的时刻。
“你开始与建造金字塔的人们产生共鸣，”斯蒂亚维利说。
其他成长在韦伯总是在地平线上的世界的科学家已经在思考下一件大事。
“我非常确定，除非发生史诗般的灾难，[韦伯] 将带领我的职业生涯度过未来十年，”刘易斯说。“但我必须考虑一下我要做什么 下一个 十年”之后。
与哈勃望远镜不同，哈勃望远镜通过宇航员的修复和升级任务已经持续了数十年，而韦伯望远镜的寿命受到严格限制。韦伯在一个名为 L2 的引力固定点绕太阳运行，距离地球太远而无法修复，并且需要燃烧少量燃料才能保持在原位。这种燃料至少可以使用五年，最好能使用十年。但是当燃料耗尽时，韦伯就完蛋了。望远镜操作员将把它移到绕太阳的偏僻轨道上退役，并告别它。
