詹姆斯·韦伯空间望远镜的成本可能会拖跨整个美国天文学——
每10年,美国天文学家会聚集一堂并列出一张他们想要的清单。听上去这像是成人版的圣诞老人,但这“10年规划”对他们来说是非常认真的。
在2000年天文学家公布的一张清单上,耗资10亿美元的“詹姆斯·韦伯空间望远镜”(JWST,题图)占据了清单的显赫位置——这架以美国航空航天局(NASA)前局长名字命名的望远镜将接替即将退役的“哈勃空间望远镜”(HST)。然而6年过去了,其成本已上升到原来的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JWST预算在不断扩张的同时挤占了其他的项目,并导致部分项目被取消或被“无限期推迟”。对于在这个过程中梦想破灭的人来说,JWST并不是这个领域的希望,而更像是一场梦魇。加州理工学院的天文学家斯里·库卡尼(Shri Kulkarni)对此提出了批评:“我们正在启动一个对其成本并不了解的计划,而这个计划目前正在‘吞噬’着天文学。我对为实施这一计划而影响或放弃该领域的其他项目表示怀疑。”
HST主镜直径2.4米,全重11.5吨。而JWST的主镜直径为6.4米,但重量只有HST的1/3
目前,在美国天文学界有两大阵营,一方认为JWST已经影响到其他项目的进行,另一方尽管也为天文学发展的平衡担心,但绝对支持JWST项目,哪怕影响到其他所有的项目。然而大家一致的是,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大多少,但它比任何一个天文台的望远镜都要大。
长远的眼光
在设计上,HST重点针对的是可见光和紫外线,而JWST则侧重红外波段。位于大气层之上,JWST可以对波长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其在红外波段拥有HST在可见光波段的分辨率。JWST的主镜十分灵敏:其搭载的设备能看到比HST所能看到的最暗弱的天体还要暗上10～100倍。
进入红外波段意味着望远镜必须要有较大的口径,同时要远离地球(地球的热量是一个问题),而且还必须使用多层结构来保护望远镜免受阳光照射。这些要求使得望远镜的造价上涨,但红外观测能力是必需的。如果想深入早期宇宙,那么进入红外波段是唯一的选择。
理论认为,在大爆炸光辉褪去之后,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,拉伸到达我们的光线,使得其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;而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——“这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
马瑟正在使用“斯必泽红外空间望远镜”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。理论上,JWST可以看到这些大质量恒星所产生的超新星暴发,并在“深空”观测的过程中进行长时间深度曝光,以此揭示遥远的极端暗弱天体。天文学家冀望于JWST的近红外深空观测能提供第一代星系和原星系的影像。
NASA计划中的“类地行星搜寻者”(TPF)项目已经被取消了——这是一个搜寻行星的计划,但JWST无法取代TPF的功能。对此,亚利桑那大学行星科学家乔纳森·路宁(Jonathan Lunine)指出,尽管JWST可以获得木星大小行星的图像和光谱数据,甚至也许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,得到的高分辨率尘埃星周盘图像将会是有史以来最清晰的;然而,TPF项目因JWST预算上升的原因被取消,这总是一件遗憾的事。
资金记录
没有人质疑JWST将是一架一流的望远镜,甚至是一架具有革命性意义的望远镜。从2000年的“10年规划”公布以来,“JWST的科学价值变得更为突出了”。但是它的经费是多少?2006年NASA给这个项目的预算是45亿美元。这一预算超过了美国自然科学基金会一年的研发预算,可以使美国天文学会的每个会员分摊到100万美元以上。
JWST的成本超过世界上最大的望远镜——凯克天文望远镜的30倍。原因之一是JWST是挑战和超越现有技术的望远镜,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。
天文学成本
在JWST项目的进展方面,NASA试图尽快解决核心(技术)问题以减缓因成本上升遭到的责难。NASA的JWST项目科学家埃里克·史密斯(Eric Smith)说,尽管这有助于解决潜在的技术难关,但并不能降低成本。如工程师发现他们可以制造出轻型的镜面,但进展不如预期的那样快——这项工作将要花上6年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)。其他在性能方面的改进——舍弃望远镜的中红外设备、进一步减小望远镜的口径——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。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,JWST放弃了在这个波段的镜面抛光计划。另外,放弃原计划改建的俄亥俄州真空实验室,改用约翰逊空间中心的真空室也可以节省1亿美元。
尽管如此,成本依然在不断上升(仅2005年就上升了10亿美元)。由于政府推迟决定究竟使用美国还是欧洲的运载工具而停工导致3亿美元的损失。这是非常令人难堪的,造成的损失甚至比发射的花费还要大,并使发射日期从2011年推迟到了2013年。
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。即使是讨论中的最昂贵的计划,如阿塔卡玛毫米波大天线阵(ALMA),或者是凯克30米望远镜,都需要预留10亿美元的空间。为此有关专家认为,空间望远镜之所以耗资多并不仅仅来自技术上的挑战,而是发射前必须预见到每一个突发情况和解决方案。这通常要一大批工程技术人员工作数年。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。在这个体系内,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,增加了项目的成本。
虽然这样,JWST的成本增长仍然是始料未及的。1972年HST当时的总预算是3亿美元,其中包括第1年的运营费用(这相当于今天的10亿美元),但到发射时,如果按照现在的标准,HST的研发成本绝对超过40亿美元。史密斯说,如果算上新仪器以及管理费用,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。
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一半的天体物理项目预算。
为此一些批评家认为,精心打造的“10年规划”不再可行:如果成本已经明确,那么优先级可能已有所不同。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想清楚什么是可以承受的”,他甚至在NASA削减科学预算之前就表示,这个计划“在财政上是不可取的。”
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,科学家难辞其咎。“天文学家要NASA就所有的计划埋单,其结果就是JWST不断地扩张。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’。现实是许多计划被推迟了,并变得难以控制。”在去年1月举行的美国天文学会会议上,NASA局长迈克·格里芬(Mike Griffin)说:“10年规划预计的成本是10亿美元;而90年代中期的研究成本应该在5～10亿美元。这些是部分寄希望于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,总成本大约是40亿美元(差不多相当于现在的70亿美元)。而1990年“10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,考虑到通货膨胀因素,它和NASA目前的预算情况很接近。
哈勃太空望远镜
政治牌
加州大学圣克鲁兹分校的加思·伊林沃斯(Garth Illingworth)是1990年委员会的主席。在时任NASA局长丹·戈尔丁(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,但戈尔丁当时专注于加速发展航天器并鼓励创新。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接近成功时的失败,使得他“恶名昭彰”。伊林沃斯说:“当时的情况非常糟糕,政治环境左右了所有讨论。”
现今,伊林沃斯猛烈抨击戈尔丁时代的“极为糟糕的、人为的成本估算”。但是2000年的“10年规划”似乎很乐意接受它。科学界似乎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,而既定的方案使得这个项目已经不可能被撤销。正如HST的历史所显示的,它确实有效。
昔日的不安
美国天文学会主席、得克萨斯大学的天体物理学家克雷格·惠勒(Craig Wheeler)对HST的教训记忆犹新:“我记得当我们在建造HST时,预算中还有许多其他的项目。由于HST的原因,其中的一些项目受到了损失,特别是那些大学的项目。”惠勒也对JW-ST的成本问题感到不安,但他不认为天文学已经达到了所谓的“极限”。基于目前想修改“10年规划”的企图他警告说:“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。
NASA喷气推进实验室的查尔斯·贝克曼(Charles Beichman)对JWST项目表示赞同。他认为JWST将是一台“精制的机器,会获得惊人的科学成就”。事实上,他也是JWST仪器小组的成员。但当他参加会议时,看到年轻的天文学家更乐意参加行星搜寻分会而不是HST或者JWST分会。
而路宁认为批评没有切中要害。他说,该受指责的不是JWST,真正的问题是“NASA的科学预算太少”,空间探测科学正遭受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缘由。但就目前而言,JWST确实处在一个令人尴尬的境地。