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NASA预算的离谱偏差,最初预计5亿的超级望远镜,如今已破100亿

原标题:NASA预算的离谱偏差,最初预计5亿的超级望远镜,如今已破100亿

最近的新冠肺炎疫情主战场,从国内已经转到了国外。对于任何国家、任何人来说,疫情都不是一件好事。比如对于我们科学爱好者来说,有一件事比较遗憾,那就是NASA员工的感染。毕竟,美国的航天和天文学仍然执全世界之牛耳,NASA不得不关闭一些实验室,也会让全人类天文学发展都稍微降速一点点。更遗憾的是,万众期待的詹姆斯·韦伯太空望远镜,又有理由推迟了……

自从人类把望远镜发射升空之后,科学家就发现了这种新设备的好处。因此,当著名的哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope,以下简称HST)在1990年升空之后6年,NASA就决定发射新一代太空望远镜(别意外,这就是它当初的名字),并且全国招标。

NASA预算的离谱偏差,最初预计5亿的超级望远镜,如今已破100亿

这一架望远镜,就是以NASA第二任局长(阿波罗计划就是他在任时实现的)的名字命名——詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope ,以下简称JWST)。

全村的希望

HST是目前最知名的太空望远镜,它给人类带来过无数经典的太空照片,让我们领略到了宇宙之美。它能够拍摄到的宇宙范围,甚至可以达到130亿光年,这个精度已经非常恐怖了。可是,JWST可以甩HST几条街。

首先,从镜面来说,JWST就有了极大的提升。它的主镜直径达到了6.5米,而HST才只有2.4米,几乎只有它的1/3 。由于这个主镜过于巨大,因此它不得不采用折叠的方式才能进入比它还小的火箭舱,进入太空之后再展开。

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即使再外行,至少从主镜的尺寸方面就可以知道JWST有多强。据介绍,它的观测能力将达到HST的100倍以上。HST已经观测到130亿光年外了,它的视线只会更远。据推测,它至少可以观测到135亿光年的宇宙深空。

而且,这面主镜不仅大,还非常非常平整,其表面的粗糙度仅有20纳米。我们说过,即使是细菌,也在100纳米左右。这样惊人的平整度,也大大增强了JWST的观测能力。而且为了提升发射率,镜面上还涂了一层黄金。据介绍,它甚至可以观测到月球上的一只蜜蜂。

另外,HST的功能是有限的,它是单纯的光学望远镜。也就是说,只有在可见光范围内,它才能观测。所以才会有钱德拉X射线望远镜等其他设备,在可见光以外的电磁波段共同观测。而JWST不一样,它不仅具备光学观测能力,还兼备中红外和近红外观测性能。我们知道,任何有温度的物体,就会放出红外线。因此,JWST的观测范围较HST有了极大的提高。

任务目标

不论是对于科学家还是科学爱好者,JWST都肩负着许多希望。

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首先,它的观测距离非常远,就像我们上面说的,可以达到135亿光年。在宇宙学上,距离就是时间。看的越远,就等于看的越久。因此,它可以看到比哈勃望远镜更古老的宇宙,这对于人类了解宇宙的演化是非常有帮助的。包括我们在【宇宙出生日记】栏目中介绍的再电离期,也有很多谜团等着它来破解。

同时,它所携带的近红外光谱仪,可以对宇宙天体的化学元素和物理性质进行详细的探测。也就是说,一旦它升空,那些我们所说的超级地球,将会有更多信息展现在我们面前:是否有水?温度如何?甚至可以更好地推测:是否有生命?

它还可以对太阳系柯伊伯带进行深入的观测,更加了解那一片神秘的区域。也就是说,太阳系到底有没有第九颗行星,或许JWST就能给我们一个最终的答案。

JWST,你就是我们全村的希望啊!

冷酷到底

好的员工,是可以跟老板谈条件的,比如工作环境。JWST就是这样:由于中红外仪对热红外非常敏感,所以JWST不得不在极低温度的环境下工作,而且是超级低温环境——6.2K。因此,太阳光成为了JWST的最大敌人。

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为此,NASA给它配备了一套价值100万美元、面积几乎和一个网球场一样大的遮阳装置,通过整整五层结构,尽量地将太阳光隔绝开。即便如此,JWST上也不得不再配备一个冷却装置,时时降温。

温度太低,又会给仪器本身的材料带来难题。科学家选择了金属铍来打造很多关键部件,利用铍的物理性质,让这些部件在极低温度下依然保持刚性,确保JWST的正常运行。

为了减轻制冷设备和遮阳罩的工作压力,科学家还必须要尽量减少它可能接受到的光照,这就对JWST所处的位置有一个要求了。这个位置,就是第二拉格朗日点。

第二拉格朗日点

拉格朗日点,一共有五个,其中前三个由欧拉计算得出,另外两个才是拉格朗日计算出来的。

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简单说,对于做圆周运动的天体(比如地球)来说,并非在这个轨道上的公转周期都是这么长。也就是说,即使有天体和地球同轨道,在引力的作用下,它的公转周期也不是365天。在地球轨道附近,只有五个位置的周期是一年,也就是五个拉格朗日点。

其中最特殊的,就是第二拉格朗日点。大家上面的图就知道了,它恰好位于太阳和地球的延长线上。也就是说,只有把JWST放在这个位置上,它才可以最大程度上让地球遮住阳光,而且又不需要太多动力系统保持公转。也就是说,JWST并非围绕地球公转,而是围绕太阳公转。

正所谓按下葫芦浮起瓢,第二拉格朗日点虽然解决了阳光的问题(还有太阳的其他干扰),但也带来了一个更严重的问题……

难点

通过数学计算可以得知,第二拉格朗日点,位于大约150万公里的位置上。要知道,地月距离平均也才38.4万公里,JWST的距离几乎是月球的4倍,是HST(距离地面575公里)的2600多倍!

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这么远的距离,维护几乎就是不可能的了。要知道,哈勃太空望远镜之所以在升空30年后依然有强大的观测力,不仅在于基础设备先进,而且还有很多新设备在宇航员的工作下加装上去。

而对于JWST来说,更新设备级别不用想了。除非人类有新的科技突破,否则它这一身装备就要用到死。所以,科学家必须把所有最先进的设备完全安装上去,一气呵成。一旦发射,就没有“回头路”了。不仅是更新,连故障都是不能允许的,除非地面操作可以解决,否则JWST就要彻底瘫痪。

因此,我们经常可以看到网上有NASA对JWST进行环境模拟测试,这些都是为了保证真正发射之后,它能够万无一失。

于是,原本预计2014升空的JWST,直到现在,还在地面上好好地“葛优躺”呢……

没钱!没钱!

当然了,所有问题都是可以用钱来解决的。不过尴尬的是,问题就在于——没钱。

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地主家也没有余粮啊……

实际上,经费的问题在哈勃太空望远镜建造的时候就出现过。据说最初的设计是要建造直径3米的望远镜,但是因为经费不足,HST才只有如今的2.4米。

显然,由于技术难度过高(我也不好意思说NASA相关部门水平不行),科学家对于JWST的预算有了什么误解……

最初的时候,科学家们给出的预算,大约是5亿美元。

估计那个时候,领导都乐死了:这么便宜,上!

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后来才发现,这不是上项目,这是上当啊……眼睛一闭一睁,钱就没了;眼睛一闭不睁,工人都跑没了……

时至今日,JWST项目所花的钱已经超过100亿美元了,可是仍然无法升空。预计发射时间从2014年推到2018年,从2018年推到2020年,然后又推到2021年。前不久,美国联邦问责局一份审查报告显示,JWST在今年11月份能够完成组装的概率仅为12%。也就是说,2021年3月发射的想法,基本上也要放弃了。

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(注:横坐标是现实时间,左侧纵坐标是对外宣传的预期发射时间,右侧纵坐标是预算)

都说前人栽树,后人乘凉,这句话对于JWST的领导来说,大概就是前人挖坑,后人发疯吧……

问题在于,NASA已经没有太多资金投给它,尽管特朗普对NASA还是很大方的,但其中大部分都是为了让人类重新回到月球、乃至踏上火星而准备的,因此能够分给JWST的钱一再被压缩。而那些期盼着通过它来解答宇宙谜题的科学家们,和无数天文爱好者们,就像是一群婴儿一样嗷嗷待哺。

更尴尬的是,这架耗资已经超过100亿美元的望远镜,预期寿命大约是5-10年。当然,如果运行得好,它可以远远超出这个预期。所以,恐怕NASA得研究研究养点锦鲤了。否则一旦出了点小小的差池,恐怕这100多个亿就打水漂了……

再等等吧

我们知道,现在天文学家已经在很多项目上进入瓶颈期,都需要詹姆斯·韦伯太空望远镜的高精度观测来解答。比如我们最近发现的公转周期最短的系外行星,还有很多诡异的系外天体,以及宇宙中最早一批恒星的出现(宇宙再电离期的各种未解之谜)都需要它来解答。同时,JWST还很有可能利用加州大学河滨分校研发的最新技术,探测系外行星是否含有氧气,在寻找超级地球和系外生命方面发挥巨大作用。

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看样子,詹姆斯·韦伯太空望远镜还没上班,老板已经把工作安排好了。等它正式开始服役的时候,恐怕积压的工作有喜马拉雅山那么高了,等着使用它来完成自己科研任务的科学家们,怕是排队排出去几条街了。

不过,目前来看,JWST短时间内是不可能升空的。尤其这两天,由于新冠肺炎疫情的扩散,美国也不得不停下来认真应对了。而且,NASA已经有很多员工感染新冠肺炎,不得不关闭许多研究所,转而网上办公。

不出意外,詹姆斯韦伯太空望远镜项目也受此影响,被叫停了。这一次,终于不用让经费来背锅了,可以把锅甩给新冠病毒了……

总之,我相信,2021年3月JWST升空的概率的确不高。但是,按照目前的进展,这几年我们还是可以看到它服役的。到那个时候,人类的天文学又将得到一次巨大的发展,许多未解之谜也将逐渐被解开。

我非常期待看到更遥远的宇宙,既是为了星空之美,也是希望了解更多系外天体的知识。那么,对于詹姆斯韦伯太空望远镜,你有怎样的期待呢?

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