美国宇航局（NASA）下一代空间天文台“詹姆斯·韦布空间望远镜”有望打开宇宙的新窗口，但其高昂的成本可能成为阻碍其他更多通往宇宙的途径的障碍
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）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年由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。现在，它肩上的担子甚至更重。如果没有JWST，去年8月公布的2010“十年调查”中的大部分科学目标将无法实现。
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“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。”
JWST直径6.5米的主镜是HST的近3倍，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温度保持在-223.15℃以下的冷却系统，而且还必须能在距地球约150万千米的上空正常运转――因为比月球还远4倍的距离超出了维修任务可及的范围。如果JWST失败，天文学的发展会滞后一代人。
工程技术人员在安装JWST主镜
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。JWST目前已经彪升到近50亿美元的价码，并已吞噬其他重大空间探测项目的资金。即便是用于研究宇宙中暗能量的大视场红外巡天望远镜在最近一次公布的“十年调查”中名列首位，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。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，未来几年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额外申请了9500万美元来应对JWST的成本超支。2010年，又多花了2000万美元。而在2011年，也已经申请了6000万美元的拨款。
为了应对日益增长的预算申请，负责监督NASA预算的政府小组委员会主席芭芭拉·米库尔斯基（Barbara Mikulski）在2010年6月成立了一个独立小组，针对JWST持续上升的成本和延误的原因展开调查。“建造JWST确实极具技术挑战，”她说，“但是我们不能做成本超支的买卖。”
NASA“旅行者”、“伽里略”和“卡西尼”计划前项目主管约翰·卡萨尼（John Casani）担任独立调查小组主席，他强调，该小组只是提建议而不是做决定。后者将取决于NASA。但是，为了摆脱JWST于困境的可能方案，卡萨尼说：“一切都会摆在桌面上进行。”包括可以预见的削减设备或是对整个计划缩编。
“一次机会”
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的视野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，为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考虑的计划。
1993年，NASA要求由美国卡内基天文台的艾伦·德雷斯勒（Alan Dressler）担任主席的一天文学家委员会来确定未来的望远镜需要些什么。基于新望远镜的反射镜必须能收集第一代星系发出的暗弱光线，于是该委员会建议这架望远镜的主镜直径至少要4米，同时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会湮没天文学家想寻找的暗弱光子。
1995年12月， NASA时任局长丹尼尔·戈尔丁（Daniel Goldin）对这些建议很感兴趣。当时他正在NASA推行“更快、更好、更廉价”的航天计划，即以较低成本来运作“鼓舞人心”的空间探测任务，并以此扩大空间任务的技术边界。而德雷斯勒的建议似乎是检验这一做法一个机会。
为什么不尝试用直径为6——8米的主镜？戈尔丁问。NASA当时正在研制一架低温红外望远镜――斯皮策空间望远镜，其0.85米的主镜由铍制成，在极端温度变化下能保持其形状不变。包括部分技术是现成的，可以在NASA削减预算的同时使JWST拥有一面巨大的主镜。JWST最初的成本估算为5——10亿美元。
一开始，戈尔丁的方法似乎很有效：第一批空间探测任务非常成功，包括1997年具有里程碑意义的“火星探路者”计划以及1998年发现月球上有水冰存在证据的“月球勘探者”空间探测任务。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。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开始回归其传统，即在规避风险的同时对费用庞大的项目推行广泛的战略监督。
不断膨胀
JWST运行模拟图
这一转变也令JWST主镜的直径从8米缩减到6.5米。但同时，由于NASA开展了许多工程权衡研究，包括由多个科学工作组对JWST的设计方案进行完善，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。因为在1990年代，当大部分设计工作完成后，NASA的天体物理学预算每年都在增长。
每经历一次这样的过程，JWST的科学目标就会膨胀一次。其核心仪器有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），其中还包括一个用于观测银河系中被尘埃包裹的天体的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。比如，多达五层的遮阳罩在发射前必须围绕着JWST折叠，然后在太空中打开使望远镜冷却――打开后的遮阳罩每一层面积相当于一个网球场大小。包括JWST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。
难怪NASA最终在JWST初始技术开发上就花费了近20亿美元。尽管如此，NASA并没有大幅削减望远镜的功能来控制成本。相反，还寻找到了合作伙伴――欧洲空间局和加拿大宇航局，包括把建造合同分派给选区的企业和大学，NASA赢得了国会的最大支持。美国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戈达德航天中心则管理着整个项目。
到2008年春，JWST从初步通过设计审查到NASA正式承诺建造时，JWST已经从一开始“更快、更好、更廉价”的初衷转变成为一个耗资数十亿美元的跨国、跨机构的大型合作项目。
通过测试
为确保JWST的整体功能，目前NASA面临的最大挑战是测试飞行组件及组装整体――当然，这一切要在预算不超支的前提下进行。NASA的传统方法是“实地测试”，即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，该项目的管理者不得不制定出全新的测试规章。
“对于JWST而言，我们不得不在每个阶段进行增量建模、测试并验证我们的模型，然后再进入下一步的目标，”戈达德航天中心JWST项目主管菲尔·萨贝尔霍斯（Phil Sabelhaus）说，“这不仅仅是测试，同时也在证明我们是否有正确建立模型的能力。”因为在对JWST的等级式装配、测试和建模过程中，更像是在建造几架望远镜而不是一架，并且它还占据了JWST剩余预算的相当一部分。因此毫不奇怪的是，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。”他同时认为，也许我们无法承受不这样做的后果。例如，在HST发射入轨前由于没有发现其主镜存在的瑕疵，结果差点毁掉这个了任务。
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是HST的7倍，它需要冷却并且还在150万千米之外工作。如果它的造价不比HST少的话，也最多和它相当。这无疑是惊人的！”
在2010年9月NASA召开的一次天体物理学小组会议上，对JWST究竟还要花多少钱的问题上大家选择了沉默。当然，NASA会根据最新的评估报告公布新的预算和时间表，这也许是大家最关心的答案。
资料来源 Nature
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