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火 流 星 特别报道 Bolide |
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Lee Billings 文 Shea 编译 |
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美国宇航局的下一代空间天文台有望打开宇宙的新窗口——但它的成本却可能扼杀其他更多通往宇宙的途径。  [图片说明]：詹姆斯·韦布空间望远镜。版权：NASA。 它必须要能工作——对于天文学家来说，没有后备方案。美国宇航局（NASA）计划于2014年发射的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）——以引领NASA走过“阿波罗”计划发展阶段的局长詹姆斯·韦布（James Webb）命名——是哈勃空间望远镜（HST）的继任者，也是未来十年解决天文学中几乎每一个重大问题的一把利器。在2001年美国天文学会公布的天文学和天体物理学的“十年调查”中，JWST因其可以回溯时空、一窥第一代星系形成的能力而位列优先发展序列之首。而现在，它肩上的担子甚至更重。如果没有JWST，今年8月刚刚公布的2010“十年调查”中有大部分的科学目标都将无法实现。 “我们把JWST的发射和将取得的巨大成功视作是毋庸置疑的事情，”最近两次“十年调查”委员会成员、美国芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳（Michael Turner）说，“事情都是围绕它展开的。” 因此，天文学家们担心，JWST的风险也是个天文数字。JWST直径6.5米的主镜是HST的近3倍，将是有史以来被发射到太空中最大的。从灵敏的探测器到能把巨大望远镜的温度保持在-223.15℃以下的冷却系统，这架望远镜将依靠一系列未经考验的技术。而且它还必须要能在距离地球约150万千米的地方一炮打响——因为这个比月球还远4倍的距离超出了任何维修任务可及的范围。如果JWST失败了，天文学的发展会滞后一代人。 然而，正是由于它的重要性，天文学家对于JWST的感情可谓是五味杂陈。为了支持其目前已经彪升到近50亿美元的价码，JWST已经吞噬了其他重大项目的资金，在它完工之前这些项目中没有一个能开始真正的研发。即便是用于研究宇宙中暗能量的大视场红外巡天望远镜这样一个在最近一次“十年调查”中名列首位的项目，也不得不等到JWST发射之后。“在那之前，我们无法承担大的项目，”NASA天体物理学部主任乔恩·莫尔斯（Jon Morse）说。而与此同时，NASA和欧洲空间局（ESA）目前所有在运转的空间望远镜在未来几年之内都将达到它们的设计寿命。 更糟的是，JWST的成本还在不断上涨。2009年，NASA额外多要了9,500万美元来应对JWST的成本超支。2010年，它又多花了2,000万美元。而对于2011年，它已经另外申请了6,000万美元——但传言是它仍需要更多的钱。 美国马里兰州民主党参议员芭芭拉·米库尔斯基（Barbara Mikulski）是负责监督NASA预算的政府小组委员会的主席，为了应对这些预算申请她在2010年6月召集了一个独立小组来调查JWST持续上升的成本和延误的原因并寻找解决这些问题的办法。“建造JWST确实极具技术挑战，”米库尔斯基说，“但是我们不能做成本超支的买卖。” NASA“旅行者”、“伽利略”和“卡西尼”计划的前项目主管约翰·卡萨尼（John Casani）担任了独立调查小组的主席，他强调该小组只提出建议，而不是决定。后者将取决于NASA。但鉴于解救JWST于困境的可能方案，卡萨尼说：“一切都会摆在台面上。”——其中包括了可以想见的削减仪器设备或者是对整个计划进行缩编。 戈尔丁的机会 第一次提出HST继任者的概念出现在1989年，当时HST距离发射还有一年的时间。天文学家知道，HST的视力还不足以回溯到宇宙大爆炸之后5亿年第一代恒星和星系形成的“宇宙黎明”时期。因此，能填补这一空白的下一代空间望远镜就很自然地成为了下一步。 1993年，NASA要求由美国卡内基天文台的艾伦·德雷斯勒（Alan Dressler）担任主席的一个天文学家委员会来确定这样一架望远镜需要些什么。新望远镜的反射镜必须要足够大来能收集第一代星系发出的暗弱光线。因此，这个委员会建议主镜的直径至少要4米。 这架望远镜还必须要被深度冷冻，因为在高于50开的任何温度上，望远镜自身所发出的红外热辐射就会湮没掉天文学家想寻找的暗弱光子。“是科学推动了整件事情，”德雷斯勒说。 最后，它还必须要在远离地球的地方工作。在红外波段上，地球就像一个发光的灯泡。因此，这个天文学家委员会建议把这架望远镜放到距离地球150万千米的第二拉格朗日点（L2）上，在那里太阳和地球引力的综合作用会产生一个稳定区。任何位于L2的航天器都将处于地球的阴影中，使其更容易冷却。 1995年12月，德雷斯勒向时任的NASA局长丹尼尔·戈尔丁（Daniel Goldin）就这些建议作了简报。戈尔丁很感兴趣。他当时正在改造NASA的科学计划，推行“更快、更好、更廉价”的战略，以较低的成本来运作更强大、更鼓舞人心的探测任务。戈尔丁从硅谷和航天项目中汲取了这一策略，要求对大型电子器件小型化，更多地使用现有的组件，降低管理费用，并不断扩大每个任务的技术界限。德雷斯勒的建议似乎是一个完美的机会来检验这种做法。 和4米的望远镜不同，戈尔丁问，为什么不尝试用直径为6～8米的主镜？这些技术中的一部分是现成的：NASA当时正在研制一架低温红外望远镜——斯皮策空间望远镜，它0.85米的主镜由铍制成。铍是一种需要特殊处理的金属，虽然轻轻一碰就会破坏它的表面，但它重量轻且在极端温度变化下也能保持其形状。这和其他创新能够使得JWST在削减预算的同时又拥有一面巨大的主镜。正如戈尔丁在一次讲话中所说的：“让我们扔掉玻璃。玻璃是为地面望远镜准备的。” 这个雄心勃勃的计划最初的成本估算为5～10亿美元，但一些天文学家对此表示怀疑。一开始，戈尔丁的方法似乎很有效：第一批使用这一政策的探测任务都非常成功。其中包括了1997年具有里程碑意义的“火星探路者”及其火星车以及1998年发现月球上有水冰存在证据的“月球勘探者”。但紧接着在1999年大视场红外探测器和两个火星探测任务（火星气候轨道器和火星极地着陆器）却发生了灾难性的事故。这一连串的失败令NASA的声誉蒙上了污点，并提醒世人“更快，更好，更廉价”也更具风险性。到2001年戈尔丁任期结束时，NASA已经开始回归其传统、规避风险同时也更加昂贵的全面测试和广泛监督的战略。 这一转变令JWST的成本上涨并超过了10亿美元大关。其主镜的直径也从8米被削减到了6.5米以此来降低成本。但与此同时，由于NASA开展了许多工程权衡研究，还有多个科学工作组来完善JWST的设计方案，一个更加隐性的因素开始起作用：科学家在不断地增加JWST的复杂性。 “几乎所有的大型任务都出现过类似的情况，”美国空间望远镜科学研究所JWST任务办公室前负责人彼得·斯托克曼（Peter Stockman）说，“每个人都担心这将会是他们科学生涯中最后的机会。”而且似乎也没有理保持克制，因为在20世纪90年代当大部分设计工作完成后，NASA的天体物理学预算预计将以每年百分之几的速度保持增长。 不断膨胀 每经历一次这样的过程，JWST的科学目标就会膨胀一次。其核心仪器包括了主要用于研究第一代恒星和星系的一个大视场近红外照相机（NIRCam）和多天体近红外摄谱仪（NIRSpec）、用于观测银河系中被尘埃包裹的天体的一个通用中红外线照相机和摄谱仪以及一个精密导星传感器。 这些扩展的功能都不得不建立在昂贵且大量未经检验的技术之上。这些仪器还需要极其稳定的超大型红外探测器。发射前多达五层的遮阳罩必须围绕着JWST被折叠起来，然后在太空中打开来使得望远镜冷却到低温。摊开之后，每一层遮阳膜的面积都相当于一个网球场的大小。JWST的主镜太大无法放入任何现有火箭的整流罩中，也不得不在入轨后由18块六边形的镜面拼接组装而成。每块镜面都由铍精心雕凿而成，然后镀金并抛光。被称为微型快门的一个机电设备阵列能使得NIRSpec可以同时采集100个天体的光谱，即便这些天体非常暗弱并且位于亮星旁边也是如此。每个可以单独控制的微型快门只有几根头发丝的宽度，而NIRSpec则需要62,000多个这样的微型快门。 此外，JWST身上的每一项技术还必须要能承受发射时的剧烈震动、外层空间高真空以及极端的低温。尤其是其望远镜的光学表面，除了要能经受这一切之外，还要在几个纳米的精度上保持整体的形状。所有的一切还必须要几乎完美无缺地维持至少五年，这是它的工作寿命底线。 难怪，NASA最终在JWST初始技术的开发上花了近20亿美元。尽管如此，它并没有大幅削减望远镜的功能来控制它的成本。相反，它还寻找到了合作伙伴，主要是欧洲空间局和加拿大宇航局。NASA还通过把建造合同分派给选区的企业和大学赢得了美国国会的最大支持。位于美国加州洛杉矶的航空业巨头诺思罗普·格鲁曼公司成为了JWST的主承包商，而NASA的戈达德航天中心则管理着整个项目。 到2008年春JWST通过初步设计审查、NASA正式承诺建造时，JWST已经从一开始“更快、更好、更廉价”的出身转变成了一个跨国、跨多个研究机构耗资数十亿美元的大胆计划。 通过测试 近一年来，JWST不同部件的工程模型已经陆续在戈达德航天中心29号大楼的洁净室中进行了测试。（通过网络摄像头http://www.jwst.nasa.gov/webcam.html可以观看其中穿白大褂的技术人员工作的场景。）其实际部件预计会在2011年春夏季开始运抵同一洁净室。JWST中所有的高风险技术都会在这里接受最严格的测试，以期能按时发射。 发射前剩下的最大挑战是组装并测试飞行组件，以确保它们的整体功能——当然，这一切都要在预算不超支的前提下进行。NASA的传统方法是“实地测试”——在尽可能接近太空实际情况的条件下来检测硬件的性能。问题是，完全组装到一起的JWST实在太大了，目前没有任何一个热真空室能容纳得下它。正如JWST的科学目标需要新的技术一样，该任务的管理者也不得不制定全新的测试规章。 “对于JWST而言，我们不得不在每个阶段进行增量建模、建造、测试并验证我们的模型，然后再进入下一步的组装，”戈达德航天中心JWST的项目主管菲尔·萨贝尔霍斯（Phil Sabelhaus）说，“我们不仅仅是在测试——我们也在证明我们能正确地建立模型的能力，因为这正是我们评估JWST在轨道上绝对表现的方法。”这个等级式装配、测试和建模的过程既费力又费时，更像是建造几架望远镜而不是一架，并且它还占据了JWST剩余预算的相当大一部分。所以，毫不奇怪，它成为了削减成本的最可能目标之一。 “测试是绝对有必要的，”德雷斯勒说，“对于JWST这一量级的大家伙，做双重乃至三重测试都是很自然的，只是也许我们无法承受它的成本。”另一方面，他说，也许我们无法承受不这样做的后果：为了节省测试费用导致在HST发射入轨前都没有发现其主镜所存在的瑕疵，这差点毁掉了这个任务。 因此JWST的支持者认为，即使进一步预算超支，它仍将打破历史上大型空间望远镜的成本模式。“即便不包括四次航天飞机维修任务，以今天的价格计算HST从建造到发射共耗资40～50亿美元，”德雷斯勒提醒说，“而我们手头正在建造的这架望远镜大小是它的7倍，它需要制冷并且还工作在150万千米之外。它的造价如果不比HST少的话，也最多和它相当。这无疑是惊人的！” 即便如此，矛盾仍然包围着JWST。失败绝对是无法被接受的，无论是对NASA，还是支持它的天文学家们。然而，在预算持平或下降的情况下，尖锐的问题是不可避免的——近期NASA天体物理学任务的减少和公众对政府超支运作的不断关注。NASA于2010年9月中召开了天体物理学小组会议，在JWST究竟还要花多少钱的问题上大家选择了沉默。NASA会根据最新的评估报告公布新的预算和时间表，这是也许最好的答案。 （本文已刊载于《世界科学》杂志2011年第2期） |
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[Nature 2010年10月27日]
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火流星工作组制作
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