这面镜子，一个完美的炮铜灰色六边形，垂直立在一个矮平台上。它大约两英寸厚，超过四英尺宽，是一块精确雕刻的铍板，在旧金山湾附近这个光学实验室的昏暗光线下闪闪发光。我的向导，首席工程师杰伊·丹尼尔，在我小心翼翼地走到镜子前看我的倒影时，注视着我的脚步。“它就像你的浴室镜子，”丹尼尔笑着说。
然而，这面镜子的另一面与家用梳妆镜截然不同。这块金属板大部分是空心的，由机械师钻孔，留下一个由狭窄肋条组成的复杂三角形支架。它的几何精度令人叹为观止，我忍住了触摸其中一个刀锋般边缘的冲动。丹尼尔说，剩下的抛光前层只有 2.5 毫米厚。从最初 250 公斤的重量开始，整面镜子现在的重量仅为 21 公斤。这足够轻，可以用火箭将 18 面这样的镜子吊入太空深处，在那里，弯曲的镜子将合而为一，形成有史以来发射的最胆大妄为的空间天文台的核心。
这个天文台，一个耗资 50 亿美元的 NASA 任务（与欧洲和加拿大航天局合作），名为詹姆斯·韦布空间望远镜 (JWST)，计划于 2014 年接替标志性的哈勃空间望远镜。自 1990 年以来，哈勃望远镜一直在地球上空 570 公里处运行，为天文学家提供了遥远宇宙星系以及离家较近的恒星诞生和死亡的最清晰景象。与哈勃望远镜一样，韦布望远镜也承诺提供令人惊叹的宇宙图像，但具有更强的穿透力。天文学家将其设计为回溯宇宙的开端。它可能会发现大爆炸后最早出现的恒星爆炸，并揭示类似于我们银河系的星系的起源。它还将深入观察气体和尘埃云，孕育恒星及其行星家族的温床。
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为了实现这些目标，韦布望远镜将与其前身截然不同。它的轻型镜面跨度将超过 6.5 米，使其集光能力是哈勃望远镜 2.4 米宽镜面的六倍。镀金后，望远镜的 18 个六边形面板将充当统一的表面——这一壮举要求它们在人类头发宽度的万分之一内对齐。美国国家航空航天局将把这只蜂窝状的眼睛发射到远远超出月球的环形轨道上。在途中，它将展开一个巨大的遮阳板，投下寒冷的阴影，水银将降至 55 开尔文以下，以便望远镜能够感知穿越宇宙 130 多亿年的微弱光和热。
所有这些都涉及前所未有的技术风险。由于望远镜的偏远位置，如果出现问题，宇航员将无法修复它。与哈勃望远镜不同，哈勃望远镜在其运行的二十年中进行了多次维修和升级，但不会有重来，没有航天飞机飞行来纠正令人尴尬的光学缺陷，也没有小部件来解除那个讨厌的遮阳板的卡顿。更重要的是，为了到达其孤独的轨道，探测器必须首先折叠起来以适应阿丽亚娜 5 号火箭狭窄的货舱。搭乘那次飞行严格限制了望远镜的重量和尺寸。然后，天文台必须以芭蕾舞般的精确度自行展开，这是一个曲折的序列，最终两个折叠的镜面部分像折叠式餐桌的侧面一样升到位。
“我认为它就像折纸望远镜，”位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心的观测项目科学家马克·克莱平说。“我们必须打开它，对齐它，并使其在合适的温度下工作。它不是设计成可维修的，所以一切都必须在当天正常工作。”
质量、尺寸和温度限制以及完成这项任务所需的机械胆识迫使 NASA 在韦布望远镜上花费的资金远远超过天文学家的预期。一个国家专家组在 2001 年将空间天文台列为天文学的首要任务，并呼吁预算为 10 亿美元，但这在当时看来是很天真的。它不包括发射和运行望远镜的成本，并且严重低估了设计的复杂性和耗时性。“[工程] 挑战比最初预期的要大得多，”NASA 总部（位于华盛顿特区）的韦布项目科学家埃里克·P·史密斯说。
史密斯指出，该项目的成本与其他开创性卫星的成本并没有太大的出入。例如，钱德拉 X 射线天文台（现在绕地球运行）和卡西尼号宇宙飞船（现在正在土星及其奇异的环和卫星中巡游）在其完整的生命周期中分别花费了大约 40 亿美元（以 2007 年美元计算）。“这就是建造大型旗舰任务的成本，”加利福尼亚州帕萨迪纳市卡内基天文台的艾伦·德雷斯勒说，他于 1995 年主持了关于哈勃望远镜继任者的第一份报告。韦布望远镜“建造得非常有效率，而且没有浪费钱，”他说。
一些沮丧的研究人员认为，天文台吸走了 NASA 天文学预算中不成比例的份额，排挤了其他任务。“JWST 的机会成本非常高，并且将在整个十年中感受到，”加州理工学院的天体物理学家什里尼瓦斯·库尔卡尼说。他特别指出，探索引力波、高能宇宙以及其他恒星周围类似地球的行星细节的先进探测器现在必须等到 2020 年代及以后。
即使是韦布望远镜的支持者也对这项巨额投资是否会获得回报，使其成为一项按广告宣传的那样工作的任务感到不安。“这是一个非常具有挑战性的项目，”加州大学圣克鲁兹分校的长期哈勃望远镜用户加斯·伊林沃思说。“即使以大多数 NASA 项目的标准来看，这也是一项艰巨的任务。对于 JWST 上的大多数东西，如果它没有展开，它就完蛋了。”
未知的国度
望远镜的大部分形状变化将在其到达太阳系中的家园之前发生：一个称为 L2 的引力平衡点，位于深空一百多万公里处。在那里，航天器将使用微小的燃料喷射来跟随地球的步伐，在太阳周围进行平缓、不受干扰的轨道运行。工程师认为它将有足够的燃料持续十年左右，直到他们无法再操纵它为止。（NASA 的预算涵盖五年的运行；再延长五年将增加 5 亿美元。）
天文学家在 15 年前开始规划卫星时就知道他们必须将卫星推进到远处。哈勃望远镜沐浴在地球不受欢迎的光芒中，这意味着它必须在接近室温的温度下运行。因此，它对来自遥远天体的微弱红外光视而不见，而天文学家非常想看到这些天体：今天星系的最早祖先，散布在可见宇宙的边缘。它们的光在那时对我们的眼睛以及哈勃望远镜的相机来说是可见的。但是，随着宇宙在随后的数十亿年中膨胀，光波已经延伸出可见光谱并进入红外光谱。
“这就是新机遇存在的地方，”首席项目科学家约翰·C·马瑟说，他是 NASA 戈达德的诺贝尔奖获得者。“这是我们从未翻过的石头，是我们从未看过的角落。我们不知道大爆炸后首先发光的物体是什么，我们应该去找出答案。”
詹姆斯·韦布空间望远镜以阿波罗时代 NASA 的局长命名，它将使用红外相机和其他探测器来感知星系的第一个碎片，因为它们组装成我们今天看到的宏伟天体。这些胚胎物体可能存在于大爆炸后约 4 亿年——仅占宇宙当前年龄的 3%。它的相机可能会探测到更早期的恒星的火花，这些巨星的质量是我们太阳的数百倍。这些恒星会在短暂而辉煌的生命后爆炸，投射出仍在宇宙中传播的光芒。
卡内基天文台的德雷斯勒说：“我们将不遗余力地建造一架比哈勃望远镜更具挑战性的望远镜，以便能够尽可能地回溯到我们能看到的最远的地方。”“NASA 强烈希望建造第一架新型望远镜，而不是最后一架旧型望远镜。”
红外光也打开了一扇通往离我们更近的天体的大门，使我们能够穿透尘埃的遮罩，这些尘埃遮蔽了我们星系中恒星和行星的摇篮。目前，天文学家主要使用可见光谱的光来探测外星行星，因此他们只能看到系统中“清理”了气体和岩石碎片盘的物体，而这些碎片盘创造了它们。但是，由于红外光可以穿透尘埃，韦布望远镜将揭示这些创造行为的许多阶段，帮助我们确定我们的太阳系是罕见的还是常见的。一些行星将从它们的恒星前面经过，让目光敏锐的韦布望远镜有机会探测到它们大气中的气体。这是一个机会渺茫的机会，但望远镜可能真的会找到一颗大气中气体混合物不稳定的行星，例如氧气、二氧化碳和甲烷——其他地方生命的第一个迹象。
铍做得更好
其他空间望远镜已经使用由铍制成的小镜子，铍是第二轻的金属。而且，按照天文学标准，韦布望远镜 6.5 米的主镜并不算巨大：现在地面上的几架望远镜的镜面尺寸从 8 米到 10 米不等，而且还有更大的镜面正在设计中。但是，创造 18 个铍段以在深空中形成一个光滑的表面，对光学技术人员来说是前所未有的挑战。
位于加利福尼亚州伯克利市北部里士满市的 Tinsley 光学公司（隶属于 L-3 通信公司）的工程师们欣然接受了这一挑战。在我参观之前——这是 Tinsley 首次允许记者参观其在镜面上的工作——丹尼尔要求我不要携带相机，并告知我有些问题是禁止提问的。制造望远镜镜面竞争非常激烈；Tinsley 花费了数年时间和数百万美元来完善 NASA 对韦布望远镜及其金属眼睛的要求。
当我到达时，我在简报中了解到铍粉是有毒的。我必须签署一份弃权书，以免在发生肺部不适时追究 Tinsley 的责任。丹尼尔向我保证，不用担心：实验室仅使用湿法工艺抛光镜面，因此没有灰尘漂浮在空气中。我的肺可以放松了——尽管有时我戴着手术口罩，以防止打喷嚏污染铍。
在项目的早期，天文学家认为他们会使用超低膨胀玻璃，这种玻璃在温度变化时能保持其形状。但是，当光学师制作测试镜面并将其浸入望远镜将要经历的严寒中时，玻璃的变形方式可能会使望远镜失灵。相比之下，铍在这些条件下坚硬且性能良好。
然而，这种改变使镜面的生产计划增加了一年，因为铍的抛光时间更长。“在不留下应力的情况下制造铍镜面非常困难，”位于科罗拉多州博尔德市的 Ball Aerospace & Technologies 的光学工程师鲍勃·布朗说，该公司负责监督 Tinsley 在望远镜上的工作。布朗说，雕刻表面使剩余的金属想要向上弯曲。团队必须通过用酸轻轻蚀刻镜面或用锋利的工具刮擦镜面来去除那层受应力的金属。这是一个乏味而精确的过程。
为了观看镜面，我穿上鞋套和工作服，以防止散落的铍沾到我的鞋子和衣服上。丹尼尔和布朗护送我进入 Tinsley 专为韦布望远镜建造的工厂车间。八台抛光机，每台大约两层楼高，占据了房间的主要位置。一个镜面部分安装在一台计算机控制的机器上。一个黑色的波纹管，形状像手风琴，在机器人轻轻地在镜面上来回移动时发出呻吟声。连接到机器人尖端的是一个飞盘大小的抛光头。计算机指示旋转抛光机在每个点上工作多长时间，以去除精确数量的铍。
一种看起来像稀释牛奶的白色液体润滑旋转头，并以恒定的流速从镜面侧面流出。当我问丹尼尔那是什么时，他笑了。“这是一种抛光液，”他停顿了一下后说。“这是一种自制的混合物。它是非常具体规定的，并且是专有的。”布朗指着六边形的边缘。他说，在距边界五毫米范围内，镜面仍然光滑，这是以前从未在如此大的表面上尝试过的困难的抛光壮举。如果边缘宽两倍，望远镜将减少 1.5% 的星光聚焦到清晰的图像中——从最微弱的物体中丢失大量数据。
光学师在 Tinsley 的计量实验室中测量镜面表面的精度，这是一个封闭的空间，对温度和气流有严格的控制。技术人员使用全息图、红外激光和其他工具来测量镜面表面在数十万个点的高度。一个镜面部分在抛光机和计量实验室之间来回移动几十次，以获得 NASA 要求的形状和光滑度。
接下来，每个部分都被空运到 Ball Aerospace，工程师们将其连接到其飞行硬件上——一个石墨复合材料结构，它闩锁在六边形的后部网格结构上，并将其固定在望远镜中。接下来，它被运到阿拉巴马州亨茨维尔的 NASA 马歇尔太空飞行中心，在一个由液氦冷却至 25 开尔文的大型真空室中进行测试。在这些条件下，金属会以细微的方式变形，光学师会以微观细节绘制变形图。然后，该部分返回加利福尼亚州，Tinsley 在那里使用光学师的地图来指导额外的细微抛光，这将消除铍一旦受到太空寒冷而发生的任何变形。
这种缓慢的华尔兹舞自 2009 年 12 月以来一直在进行。截至 8 月，已完成一个镜面部分，大约还有六个其他镜面部分处于最后的抛光阶段。Tinsley 计划在 2011 年年中之前向 NASA 交付所有 18 个部分（外加三个备件）。
从哈勃望远镜中学习
当 Tinsley 的工程师们工作时，哈勃空间望远镜的巨大缺陷一直萦绕在他们的脑海中。由于工程师们忽视的测量错误，哈勃望远镜的镜面被抛光成了错误的形状。航天飞机宇航员在发射三年后安装了校正镜，挽救了任务。这里不存在这种选择。
为了吸取哈勃望远镜的教训，NASA 招募了帮助修复哈勃望远镜的工程师来从事这项新任务。通过研究哈勃望远镜模糊的图像来诊断其变形镜面形状的相同技术，将使韦布望远镜保持清晰的焦点。“当我们移动望远镜穿过天空时，某些热梯度会开始形成，望远镜会轻轻地漂移出形状，”位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所所长马特·芒廷说，该研究所将监督其运行。但与任何其他空间天文台不同，韦布望远镜将配备一个主动的、可调节的镜面来补偿这些变化。
首先，望远镜仪器中的小透镜将创建像困扰哈勃望远镜那样的失焦图像。在分析这些图片后，任务控制中心将发送无线电信号，以激活每个镜面部分背面的七个微型电机。每个电机都在 Ball Aerospace 制造，可以将镜面推或拉，增量小于 10 纳米。这使天文学家可以控制每个部分的曲率及其相对于相邻六边形的位置。任务控制中心将执行该程序，并大约每两周重新校准一次镜面。
当然，望远镜首先需要正确展开自身。特别是，两个折叠的“叶片”（每个叶片承载三个镜面部分）必须正确摆动以形成整个表面。一个 75 厘米宽的二级镜也必须闩锁到其栖息处，在一个蜘蛛状三脚架上，该三脚架位于主镜上方七米处，以将光线反射回穿过主镜的中心，并到达记录数据的仪器。
但是，真正让观察者倒吸一口凉气的转变是巨大的遮阳板的打开，它宽 11 米，长 19 米。如果它不工作，太阳的热量将使仪器对它们的大多数目标视而不见。在一个视频模拟中，遮阳板像一叠五层糖果包装纸一样展开，每层的表面积都相当于一个排球场。NASA 的主要承包商诺斯罗普·格鲁曼公司（位于加利福尼亚州雷东多海滩）设计了带有巨型展开天线的卫星——以及政府所谓的太空黑色行动，据 NASA 官员称。但是，韦布望远镜将是迄今为止尝试过的机械复杂度最高的民用任务。
更增加压力的是，没有足够大的冷真空室可以在发射前测试整个遮阳板。为了防止成本进一步增加，NASA 采取了风险更高的程序，该程序测试天文台的关键部件——但从不测试整个部件。“这就是快车道上的生活，”芒廷说。“我们将不得不采取额外的信仰飞跃。”
目前，该任务的科学家们专注于建造望远镜及其仪器。但他们也忍不住展望 2014 年的发射。“在某种程度上，这是我们这一代人对文明的贡献，”NASA 戈达德的韦布望远镜光学元件经理李·范伯格说。“它不会永远存在，但它将存在于太空中。未来的世代可能会用大型望远镜找到它。”也许有一天，这面金色的镜子——布满太空尘埃并受到辐射侵蚀——将被拖回地球，作为我们第一次掌握宇宙过去时代的纪念碑。