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下一代空间望远镜太大了？
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Tony Richhard 文 Shea 编译 |
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詹姆斯·韦布空间望远镜的成本可能会拖跨整个美国天文学。  [图片说明]：图片版权：Northrop Grumman。 每十年，美国的天文学家就会聚集一堂列出一张他们最想要的东西的清单。这听上去就像是成人版的圣诞老人，但是“十年规划”却是非常认真严肃的。当计划遇到政治审核的时候，在最核心问题上形成统一战线是强有力的做法。 在2000年天文学家们公布的最近一张清单上，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）。6年过去了，这架望远镜正式以美国宇航局（NASA）前局长詹姆斯·韦布（James Webb）的名字命名。然而，和往常一样，总是会出现一些纰漏。在2000年，美国天文学家认为这架望远镜会耗资10亿美元。但是现在这个计划的成本已经上升到了原来的5倍。 犹如宇宙暴涨般飙升的成本对于天文学而言并不是什么新鲜事。但詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的问题是，在它的预算不断扩张的同时，其他项目的预算空间却在不断缩小。科学拨款被分配到了航天飞机、国际空间站和未来的载人计划上，因此JWST的成本上升将导致其他项目被取消——或者是NASA更喜欢用的一个词“无限期推迟”。对于在这个过程中梦想破灭的人来说，JWST看上去并不像这个领域的希望，而更像是一场梦魇。加州理工学院的天文学家史瑞·库卡尼（Shri Kulkarni）对此提出了批评。“我的担心是，”他说，“我们正在启动一个我们对其成本并不了解的计划，而这个计划目前正在吞噬空间天文学。我对是否存在一个项目可以使得我们放弃这一领域的其他项目表示怀疑。” 斯图尔·菲尼（Sterl Phinney）也是加州理工学院的天体物理学家，他最支持的项目LISA引力波探测计划也已经被NASA无限期推迟了。他说，即使在预算削减之前，JWST就已经开始侵占天文学家希望用于其他领域的资金了。现在美国天文学界分裂成了两大阵营，一方认为局势正在恶化，而另一方则正如菲尼所说的“尽管其中的一些人也为天文学的平衡和健康表示担心，但是他们绝对支持JWST，哪怕它会吃掉其他所有的东西”。库卡尼认为第二阵营中的一些人还沉浸在NASA最近从空间科学抽走资金的“沉重打击”中，其内部还没有达成一致。 然而，每个人都赞同的一点是，如果能按设计要求工作的话，JWST将会是一架梦幻般的望远镜。尽管其25平方米的主镜并不比HST的大得多；但是它却比HST发射时任何一个天文台的望远镜都要大。 长远的眼光 HST的设计针对可见光和紫外线，而JWST将集中在红外波段。位于大气层之上，使得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。在更长的波段上，要达到同样的分辨率就需要更大的主镜；JWST蜂巢状的抛光铍镜面让它在红外波段拥有犹如HST在可见光波段的分辨率。JWST主镜的大小也让它变得十分灵敏：其搭载的设备应该能看到比HST所能看到的最暗弱的天体还要暗上10-100倍的天体。 进入红外波段意味着望远镜必须要有较大的口径，同时还必须要远离地球（地球的热量将会是一个问题），而且它还必须使用多层结构来保护望远镜免受阳光照射。这些要求都使得望远镜的造价上涨。但是红外观测能力并不是一个可有可无的设计；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。这就是很大一部分原因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。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的红移之后会进入波长为1.9微米的波段——“正好处于我们的最佳波段中，”JWST高级项目科学家约翰·马瑟（John Mather）充满信心地说。 第一缕光 现在，马瑟是戈达德航天中心亚历山大·卡什林斯基（Alexander Kashlinsky）所领导的一个小组的成员，他们正在使用小得多的斯必泽红外空间望远镜来搜寻“第一缕光”。目前的或者是计划中的望远镜，甚至包括JWST，都无法解析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暴发，它们为宇宙制造了第一批重元素。 同时，第一代星系也应该会被观测到。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。 尽管如此，JWST的拥护者仍极力指出JWST并不仅仅是一架探测“第一缕光”的机器。他们提出——特别是对于那些项目被取消的科学家——虽然JWST受到宇宙学家在第一代恒星方面兴趣的推动，但是它对其他领域也会有巨大的贡献。 例如，搜寻围绕其他恒星的行星。今年NASA预算的受害者之一就是“类地行星搜寻者”（TPF），这是一个计划搜寻地球大小行星的项目；现在它的预算被取消了。JWST无法做到TPF原本打算做的。但是亚利桑那大学的行星科学家乔纳森·路宁（Jonathan Lunine）指出，JWST仍然可以进行相应的科学观测，而这些观测目前没有望远镜能完成。作为望远镜科学工作组的跨学科科学家，路宁说JWST可以获得木星大小行星的图像和光谱数据，甚至也许还能获得天王星大小的行星大气在特殊环境下所产生的光谱数据。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。 这些仅仅是计划中的观测。空间科学研究所的行星天文学家、JWST科学工作组的成员海蒂·海曼尔（Heidi Hammel）说，JWST最重要的成果也许是无法事先预见的。HST最重要的一些发现，包括深空观测，“都是我们未曾想到的，因为这是一个开放的新领域，”她说。 资金记录 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。去年8月，一个对望远镜科学潜力进行独立评估的小组宣布，从2000年“十年规划”公布以来，“JWST的科学价值已经变得更为突出了”。但是它的费用是多少？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。这超过了国家自然科学基金会一整年的研发预算；这同时也可以使得美国天文学会的每一个正式成员分摊到超过1百万美元。 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“阿利亚娜”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5700万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年前处于马瑟这个位置的HST项目科学家罗伯特·奥戴尔（Robert O'Dell）指出，HST曾经借鉴了许多间谍卫星的技术。而JWST就没那么幸运了。 天文学成本 NASA试图在项目早期处理核心技术问题来应对困难。NASA总部的JWST项目科学家埃瑞克·史密斯（Eric Smith）说，尽管这有助于发现潜在的技术难关，但这并不总能降低成本。例如，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——这项工作将要花上6年的时间而不是先前预计的4年。2001年早期的研发工作使得主镜失去了原计划面积的三分之一。其他在性能方面的削减——舍弃望远镜的中红外设备、对望远镜口径的进一步减小——都被认为在科学上是无法接受的。 与此同时，NASA也找到了一些省钱的办法。2005年项目管理层决定不对镜面进行额外的抛光。基于未来大型地面望远镜将在1.7微米波段使用自适应光学技术，因此放弃了可以改善JWST在这个波段影像的进一步镜面抛光计划。另外，从原先俄亥俄的真空实验室改用约翰逊空间中心的真空室又可以节省1亿美元。 尽管如此，成本依然在不断上升。单2005年就差不多上升了10亿美元。NASA要求项目增加它的防范资金到2亿美元。由于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2013年。每次推迟发射都会增加总成本。  [图片说明]：图片来源：P. Smith，NASA。 按照地面天文学的标准，JWST每推迟1年所造成的损失都是巨大的。即使是提出的最昂贵的计划，例如阿塔卡玛毫米波大天线阵（ALMA）或者是凯克30米望远镜都在讨论中，需要预留10亿美元的空间。但是奥戴尔认为，空间望远镜之所以要贵得多并不是因为技术上的挑战，而是因为在发射前必须预想和解决每一个偶发情况和问题。这通常要一大群工程技术人员工作数年的时间。额外的成本同时也来自NASA长期而令人厌烦的“完全成本核算”体系。在这个体系下，一个项目的全部花费——小到每一个回形针和每一个警卫——都必须包括在内。这使得NASA的经常性开支下降，但却增加了每个项目的成本。 虽然这样，JWST的成本增长仍然是始料未及的。奥戴尔回忆，1972年HST的总预算是3亿美元（包括第1年的运营费用），这相当于今天的10亿美元。按照正在研究望远镜政治史的、加拿大阿尔伯特大学的历史学家罗伯特·史密斯（Robert Smith）的说法，到发射时HST的成本超支不少。他说，如果按照NASA的完全成本核算，“按照现在的标准，HST的研发成本绝对超过40亿美元”。   NASA的埃瑞克·史密斯补充说，如果算上新仪器以及管理费用，那么HST花费的总数将超过90亿美元。这还不包括4架航天飞机执行HST维修任务的成本，以及计划中的第5次维修飞行——预计大约要花费5亿美元左右。总的说来，建造、发射、使用、维修HST可能是在纯科学名义下有史以来最昂贵的活动；惊人的是，目前这个项目每年的花费仍然超过3亿美元。 在这一点上，你会开始明白路宁为什么会板着脸说，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拮据的年代，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。  [图片说明]：图片来源：NASA。 一些批评家得出结论，精心打造的“十年规划”不再可行：如果成本已经明确，那么优先级可能已经有所不同了。库卡尼曾经是空间紫外、光学和红外天文学评估委员会的成员。他说，“我现在很后悔当初我们没有想清楚什么是可以承受的”，甚至在上个月NASA削减科学预算之前他就表示这个计划“在财政上是不现实的”。 大学天文研究联合组织主席大卫·布莱克（David Black）说，如果这个计划是不现实的，科学家们难辞其咎。“天文学家们要NASA执行所有的计划，NASA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。现在许多计划被推迟，很快这会变得难以控制。”由于开始时人为压低项目成本，造成项目一个接一个上马的问题正在恶化。在1月的美国天文学会会议上NASA局长麦克·格里芬（Mike Griffin）说，因为在一开始“低估了成本”，现在JWST并没有过分超支。“十年规划”预计的成本是10亿美元。90年代中期的研究则认为成本应该在5-10亿美元之间。这些都部分寄希望于JWST可以利用军方在低成本航天器研发上的进展。奇怪的是，更早期对大型红外空间望远镜的成本估算却更接近现在的值。1984年，空间科学委员会预计，包括运营费用之后，总成本大约是40亿美元（差不多相当于现在的70亿美元）。1990年“十年规划”的一个下属委员会认为，不包括运营费用，成本大约是20亿美元，考虑通货膨胀因素它和NASA目前的预算情况很接近。 政治牌 加州大学圣克鲁兹分校的加斯·伊林沃斯（Garth Illingworth）是1990年委员会的主席。在时任NASA局长丹·高丁（Dan Goldin）“不切实际”的“更快、更好、更廉价”的信条下，他们做出了偏低的成本估计。尽管冒着失败的风险，但高丁当时专注于加速发展航天器，鼓励创新。一些计划就是在这个背景下诞生的，特别是两个火星计划在快接近成功时宣告失败使得他“恶名昭彰”。伊林沃斯说：“当时非常糟糕，政治环境左右了当时的所有讨论。” 德国马普地外物理研究所的莱因哈特·盖蔡尔（Reinhard Genzel）说，很显然JWST5亿美元的价码是一个“政治报价”。在90年代这是一种风气。当时欧洲空间局为较小的赫歇尔红外空间望远镜估价10亿美元。他说，当时有许多同事对我说：“你们太愚蠢了，为什么不能少花一点钱呢？”当然这种情况现在在NASA经常出现。 现今，伊林沃斯猛烈抨击高丁时代的“极为糟糕的、人为的成本估算”。但是2000年的“十年规划”似乎很乐意接受它。科学界已经习惯了项目的虚报低价——计划以低成本预算开始，随着时间的推移真实成本开始浮现，而既定的兴趣和方案使得这个项目已经不可能被撤销。虚报低价根据原则应该是被杜绝的，但是也正如HST的历史所显示的，它确实有效。 昔日的不安 德克萨斯大学的天体物理学家、新当选的美国天文学会主席克雷格·惠勒（Craig Wheeler）对HST的教训记忆犹新：“我记得当我们在建造目前极为成功的HST时，篮子里还有许多其他的鸡蛋。那些较小、较快的大学项目遭受了损失。我认为我们挺过来去了。”惠勒也对JWST的成本问题感到不安，但他不认为天文学家们已经达到了“我们所谓的‘极限’”。同时他也警告基于目前的情况想修改“十年规划”的企图：“改变优先级是要冒巨大风险的。” 库卡尼则更悲观。他认为NASA“激光对焦”式的集中在JWST上会伤害到行星搜寻、暗物质研究、引力波探测以及其他最终可能被证明更受到年轻科学家和公众关注的领域。 被取消的TPF计划的重要人物、喷气推进实验室（JPL）的查尔斯·贝克曼（Charles Beichman）对此表示赞同。贝克曼认为JWST将会是一台“精制的机器。它会获得惊人的科学成就”。事实上，他也是JWST一个仪器小组的成员。但是当他参加专业会议时，他看到更多的年轻天文学家更乐意参加行星搜寻分会而不是HST或者JWST分会。 路宁认为批评没有切中要害（那些认为TPF会比JWST更便宜的人也是在做梦）。他说，该受到指责的并不是JWST，真正的问题是“NASA的科学预算太少”，空间科学正遭受到来自NASA将重心转移到重返月球所造成的打击。也许这就是事情的真正原由。但是就目前而言，JWST确实处在一个令人尴尬的境地。 （本文已刊载于《世界科学》杂志2007年第4期） |
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出自：Nature
发布日期：2006-03-09
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