詹姆斯·韋伯空間望遠鏡工作想象圖。（圖檔來自NASA網站）
中原標準時間2021年12月25日20:20，美國國家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）由歐洲空間局（ESA）的阿麗亞娜5型火箭搭載，在位于法屬蓋亞那庫魯的航天發射中心成功發射升空，随後順利展開太陽能電池闆，開始自主飛行。這台有史以來耗資最大、承載萬衆期待目光的空間望遠鏡，在曆經不計其數的波折之後，終于迎來升空之日。天文學界翹首以盼的這一天終于到來，人類探索宇宙的曆史将就此進入一個嶄新的時代。
重任在肩
自從人類進入空間望遠鏡時代以來，空間望遠鏡以不受地面觀測條件限制的優勢和強大的觀測能力，不斷重新整理我們對宇宙的認識。從1990年至2003年，美國國家航空航天局實施了“大型天文台”（Great Observatories）計劃，先後發射了4台大型空間望遠鏡，其中除了大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡外，還包括康普頓伽馬射線天文台、錢德拉X射線天文台和斯皮策空間望遠鏡。這4台空間望遠鏡在電磁波的不同波段觀察宇宙，為我們描繪了一個更加完整的宇宙圖景。
哈勃空間望遠鏡于1990年4月發射升空，目前已經在軌運作超過31年，獲得了海量的觀測成果，堪稱目前為止最成功的空間望遠鏡。我們經常會把詹姆斯·韋伯空間望遠鏡稱作哈勃空間望遠鏡的“接班人”，由此可見對詹姆斯·韋伯空間望遠鏡給予了怎樣的期望。NASA科學任務理事會（NASA Science Mission Directorate）副主席托馬斯·祖布欽（Thomas Zurbuchen）的話很有代表性：“我們對我們的宇宙了解得越多，我們就越能意識到這台望遠鏡對回答那些我們在設計望遠鏡時甚至都不知道如何提問的問題有多麼重要。”
不過，從嚴格的意義上說，哈勃空間望遠鏡和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡并不是同一類型的望遠鏡：哈勃空間望遠鏡主要工作在光學波段，而詹姆斯·韋伯空間望遠鏡主要工作在波長0.6微米到28.5微米的紅外波段。從工作原理上說，把詹姆斯·韋伯空間望遠鏡定位為斯皮策空間望遠鏡的“接班人”更合适，這樣的“接班”也更加緊迫。斯皮策空間望遠鏡于2003年8月發射升空，服役超過16年，美國國家航空航天局在2020年1月30日宣布斯皮策空間望遠鏡于當天正式退役。斯皮策空間望遠鏡使我們得以在紅外波段看到了宇宙的另一番景象，幫助我們發現了系外行星，同時開展的研究也為詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的研制鋪平了道路。現在，我們需要詹姆斯·韋伯空間望遠鏡在紅外波段更好地揭示宇宙的秘密。
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡在發射升空後，會用29天的時間到達距離地球150萬千米的日地第二拉格朗日點（L2）。工作在L2的航天器能夠相對太陽和地球保持基本穩定，是以對需要在相對地球穩定的位置進行長期工作的航天器來說，那裡是一個理想的位置。在此之前，威爾金森微波各向異性探測器、赫歇爾空間望遠鏡和普朗克衛星等探測器都曾在L2附近停留。在到達L2後，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡會用1-2個月的時間打開儀器，再用3個月左右的時間對儀器進行測試。發射升空大約半年後，望遠鏡可以正式開展科學觀測。
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（圖檔來源：NASA網站）
觀天利器
天文學界之是以對詹姆斯·韋伯空間望遠鏡給予巨大的期待，原因就在于它具有史無前例的強大探測能力。天體實體學家、2006年諾貝爾實體學獎獲得者約翰·馬瑟（John Mather）曾經在一次美國科學促進會（AAAS）的會議上這樣介紹這台望遠鏡的探測能力：“它有能力探測到25萬英裡外一隻大黃蜂發出的熱量，而這也是地月之間的距離。”
作為一台強大的“時光機器”，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡有能力回望大爆炸後2億年也就是大概135億年前宇宙的模樣，觀察早期恒星和星系的形成過程。同時，它的超高紅外敏感度會幫助天文學家将最早最小的星系同今天巨大的漩渦星系和橢圓星系進行比較，有助于我們了解數十億年來星系如何聚合在一起。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡可以觀察星際塵埃，這對研究恒星的誕生尤其重要，因為年輕的恒星往往就是誕生在巨大的塵埃雲中。此外，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡還将對系外行星的大氣成分進行研究，有可能在宇宙的其他角落發現生命存在的蛛絲馬迹。
鏡面面積是望遠鏡的一個關鍵名額，一般來說，鏡面越大，收集信号的能力就越強。不過受火箭攜帶空間和發射重量等因素的限制，空間望遠鏡的鏡面面積要比地基望遠鏡小得多。哈勃空間望遠鏡雖然成就卓越，但是它的主鏡尺寸隻有2.4米，這也限制了它的探測能力。在鏡面面積這個名額上，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡進行了革命性的提升。它的主鏡由18塊六邊形的鏡面組成，直徑達到6.5米，鏡面面積是同為紅外望遠鏡的斯皮策空間望遠鏡的鏡面面積的50倍。
不過，即便是直徑6.5米這樣對地基望遠鏡來說不太起眼的尺寸，對火箭來說還是太大，是以詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的鏡面需要折疊起來才能裝入火箭。這台望遠鏡在被折疊後，高度為10.66米，寬度為4.5米，被放置在高度為17米、直徑為5.4米的整流罩中。在太空中展開後，望遠鏡的高度為8米，長度為21.2米，寬度為14.2米。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡在太空中的展開過程，也将是有史以來最複雜的太空展開過程，這是成功發射之後望遠鏡所要面臨的另一個挑戰。
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡将以前所未有的精度對宇宙進行觀測，是以勢必要配備前所未有的先進技術，技術攻關也是望遠鏡發射時間一再推遲的重要原因之一。舉例來說，這台望遠鏡需要在極低的溫度下工作，是以冷卻技術必須革新。望遠鏡上網球場大小的結構就是用來遮蔽太陽和地球發出的熱量。遮光闆内部主體是真空，利用了真空絕佳的絕熱性質。真空外的部分是隔熱層，共有5層，其中的4層用來滿足對望遠鏡冷卻的要求，而餘下的1層主要是為了在空間中的微小物體對其他4層隔熱層造成損壞時起到補充作用。隔熱層的效果非常明顯：望遠鏡會在-233℃的溫度下工作，而望遠鏡的受熱面溫度約為85℃。
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡另一個需要面對的問題是重量。在鏡面面積比哈勃空間望遠鏡有明顯增加的情況下，如果使用相同的材料，勢必會超出火箭的起飛重量。是以，研究人員用铍來制造鏡面。這種金屬很輕，并且可以在極低的溫度下不變形。同時鏡面鍍金，可以獲得高紅外反射率，這也是我們看到的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的照片都是金光閃閃的原因。
好事多磨
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡成功發射升空，既令天文學界和關注太空探索的公衆感到激動和欣慰，也多少讓人覺得“出乎意料”，因為在望遠鏡的整個研發周期内，已經不知有多少次發射推遲的情況發生。
20世紀90年代中期，在哈勃空間望遠鏡投入使用後不久，NASA就确定了“下一代空間望遠鏡”（NGST）的概念。2002年，NASA正式立項并将望遠鏡更名為詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。詹姆斯·韋伯（James Webb）是NASA第二任局長，任期從1961年至1968年。正是在他的直接上司下，美國開始了登月計劃，迎來了空間科學發展的黃金時代。
在NASA提出下一代空間望遠鏡概念的時候，望遠鏡的發射時間被定在2007年。項目正式立項時，預計的發射時間是2010年。然而，此後的研制過程可謂一波三折，發射時間表也一再更新。2015年3月，NASA告知美國國會，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的發射時間是2018年10月。但是就在同年9月，NASA就把發射時間推遲到2019年春季。到了2019年3月，NASA給出的發射時間是不早于2020年5月。沒過多久，2019年6月28日，NASA把發射時間又直接向後推遲了10個月，定在2021年3月30日。
在NASA公布詹姆斯·韋伯空間望遠鏡将于2021年12月發射的時候，很多旁觀者可能都抱着将信将疑的心态，畢竟此前發射推遲的“前科”不勝枚舉。果不其然，12月的發射日期又被數次推遲：從12月18日到12月22日，再到12月24日。但由于天氣預報顯示12月24日發射場的天氣條件不佳，發射時間就被推遲到聖誕節當天。直到火箭點火升空，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡真正踏上探索之旅的時候，這場漫長的等待才終于畫上了句号。
太空探索計劃發生推遲發射的現象實屬正常，因為在設計、制造探測器的過程中，會有很多不可控的情況發生，包括科學目标的調整、制造技術的研發，等等。但是，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的推遲次數和延後時間堪稱創下紀錄。這其中，既有政治方面的原因，比如與美國國會談判以争取經費；也有社會方面的原因，比如2020年以來的新冠疫情導緻望遠鏡制造的延誤；同時還有意外發生的情況，比如項目承包商使用了錯誤的溶劑來清潔已經安裝好的推進閥門，緻使推進閥門需要被拆卸下來經過清洗後再重新安裝回去，以及失誤造成望遠鏡發生意外震動，等等。臨近發射時，則是由于天氣原因導緻發射推遲。
這一系列的推遲造成詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的最終發射時間比最初計劃的時間晚了14年之久，開支也從最初立項時的5億美元飙升至目前的108億美元，成為美國政府支援過的耗資最大的科學項目。NASA希望在加強國際合作的同時在一定程度上分擔成本，因為把詹姆斯·韋伯空間望遠鏡打造成一個國際合作的項目，歐洲空間局和加拿大空間局（CSA）也參與其中，各自分擔了一小部分經費。除了提供望遠鏡的部分裝置外，歐洲空間局的一個主要任務就是提供搭載望遠鏡的阿麗亞娜5型火箭及相關的配套發射服務，這也是望遠鏡在歐洲空間局所屬發射場發射的原因。
詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的設計使用壽命為10年。同時，NASA也在開發新的技術，希望能夠通過機器人為望遠鏡添加推進劑以延長望遠鏡的使用周期。考慮到此前空間望遠鏡的情況，如果順利完成展開并達到預定位置，我們有理由相信詹姆斯·韋伯空間望遠鏡能夠服役更長時間。我們同樣有理由相信，這台凝聚了幾萬名科學家和工程師智慧的空間望遠鏡，将會在未來徹底改變我們對宇宙的認識。
南方周末特約撰稿鞠強