“给我一台望远镜，我就能想出一些有意义的事情来做，” 简·里格比说，她是 NASA 戈达德太空飞行中心的天体物理学家，也是该机构耗资 100 亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜的运行项目科学家，这是人类迄今为止建造的规模最大、功能最强大的地外天文台。 在她的职业生涯中，里格比使用过世界上许多顶级的地面和太空天文设施——并且她领导了韦伯众多“早期发布科学”活动之一，这些活动预先安排在其首年的观测中，利用该望远镜研究跨越宇宙时空的星系中的恒星形成。 但她与韦伯的主要工作是与她的团队合作，通过照顾望远镜在其计划的五年主要任务期间为全球研究人员进行的全面科学调查，确保每个有幸使用它的人都能做“有意义的事情”。 这绝非易事：对于那些希望从这个独一无二的观测台中尽可能榨取科学价值的人来说，韦伯的每一分每一秒都弥足珍贵——而里格比负责监督日程安排。
自从韦伯于 2021 年圣诞节发射以来，她和她的同事们一直不停地工作，为观测台准备好交付关于宇宙中最早的星系、附近的系外行星以及更多方面的突破性发现。 现在，随着其镜片和仪器准备就绪，以及其首批科学图像和数据集即将发布，韦伯的革命性研究有望真正开始。《大众科学》与里格比谈论了操作韦伯所需的团队合作、观测台不确定的寿命以及最大限度地提高对已知宇宙中规模最大、性能最佳的望远镜 100 亿美元投资回报的微妙任务。
[以下是经过编辑的访谈记录。]
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韦伯的情况看起来不错，不是吗？ 我们即将看到望远镜的第一批科学图像，它的性能在调试期间超出了预期，而且它前往深空的航行使其剩余足够的推进剂，可以将运行时间延长到 2040 年代——远远超出其“名义”任务寿命。 想到我们可能会从这个需要数十年稳定、勤奋的工作和 100 亿美元的惊人设施中获得如此多的“额外”时间，这真是令人惊叹，这个设施在某些方面可能是天体物理学领域有史以来最大的单笔投资。 所以我想和您谈谈该项目如何保护这项投资，以及它将如何最大限度地榨取价值，可以这么说。
情况看起来非常好，绝对是这样。 这架望远镜不仅像我们承诺的那样出色——在许多方面，它甚至更好。 我很乐意谈论榨取价值的各个方面。 像团队中的其他人一样，我很高兴揭晓韦伯的第一批科学图像。 这将是我们第一次真正“榨取价值”，从那里每个人都可以自行判断它的甜度。 我喜欢这个“榨取价值”的比喻——只要我们不是在谈论类固醇。
等等，但韦伯不是“打了类固醇的哈勃”吗？ 对不起，开个玩笑。
实际上，这需要大量的类固醇。 韦伯比现有的天文台强大一百倍。
哈，好吧。 那么您是韦伯的运行项目科学家。 这是否意味着您正在榨取所有价值？
嗯，项目科学家的职责之一是充当科学的良心。 这架望远镜主要由工程师和管理人员建造，但科学家也必须参与其中，以确保它能够完成为其建造的科学任务。 现在，作为一名“运行”项目科学家，这意味着我担心我们将如何使用这架望远镜——从选择提出的观测方案到制定观测时间表，从操作望远镜到将数据传回地球并消除所有仪器特征。 任何需要完成科学任务的事情。
明白了。 那么，为了清楚起见，您是运行项目科学家，但这并不意味着您选择韦伯看向哪里或谁可以使用它。
没有“你认识谁”的内部渠道。 韦伯的大部分时间是通过竞争非常激烈的同行评审分配的。 对于第一轮通用观测者计划，我们征集了一个由 200 名专家组成的小组——全部是虚拟的，因为新冠疫情——审查和评估来自世界各地的一千多份提案。 前四分之一的提案被选中。 这是双盲匿名的：评审员不知道谁撰写了提案，提案者也不知道谁评审了他们的提案。 我们希望根据想法的质量来判断。 这意味着，例如，学术界以外的自学者有可能获得韦伯的使用时间。 您可能住在一个不一定喜欢我们国家的国家，或者没有为建造望远镜做出任何贡献的国家，但在大多数情况下，您仍然可以使用它，对吗？ 这是一个公开竞争，因为我们想要最好的想法。
但是，您如何权衡所有这些“最佳”想法，以确定哪些想法优先？ 这似乎是一项艰巨的工作。
这就像解释制造榨汁机与实际使用它来榨汁之间的区别，看看它在哪里卡住了，然后修复它。
所以，首先是一些基本知识：韦伯在任何一天都可以指向天空三分之一的任何位置。 这种限制确保了遮阳罩始终保持定向，以便阻挡来自地球、太阳和月球的光线。 这种可观测性视场会发生岁差，因此韦伯可以在一年内看到 100% 的天空。 知道这一点后，对于任何固定目标（就像一个不在太阳系周围飞驰的目标），我们可以计算出韦伯每年可以观察到它的哪些天数以及多少天。 太阳系平面中的目标每年大约有 60 天可用。 平面外的目标（直接朝向我们太阳系的北极或南极）全年可用。 中间黄道纬度的目标介于这些极端之间。
有些目标我们需要在特定时间进行观测。 例如，系外行星在其恒星周围轨道上的特定点，或一颗正在爆炸的恒星，或某些其他随时间变化的现象。
还有一个天空有多暗的问题。 对于某些目标和波长，您是通过朝向太阳的热尘埃还是太阳系外更冷的尘埃进行观察，这非常重要。 因此，对于给定的目标，观察它的天空亮度会随季节变化。 对于某些观测，我们并不真正在意。 但是，如果我们正在观察非常微弱的物体，那么我们希望安排在背景天空尽可能黑暗的时候进行观测。
我们也不希望韦伯处于闲置状态。 而且，我们需要将数据传回地球。 在正常的科学运行期间，我们大约三分之一的时间与地球通信，使用一个万向天线，我们可以在观测时指向地球。 数据速率还不错——大约每秒 30 兆比特——但这比有线调制解调器慢，而且韦伯的仪器内有 57 兆像素的内存。 我们通过要求用户不要成为数据猪，并通过进行大量数据压缩来管理这一点。
我们通过优化所有这些约束条件来安排望远镜的时间表，以生成一系列可接受的解决方案。 我们制定一个长期计划，其中对于每次观测，我们可能会分配一个月的时段，在此期间它很可能会进行。 然后每 7 到 10 天，我们将制定该周的详细时间表——可以这么说，就是出场顺序。 这个过程是从哈勃望远镜改进而来的，哈勃望远镜也有很多约束条件，尽管韦伯的约束条件与哈勃望远镜的约束条件截然不同。
例如？
首先，对于哈勃望远镜来说，地球有一半时间挡在前面。 哈勃望远镜利用这段时间转向下一个目标，并进行其他准备工作。 韦伯没有这个问题，因为它在深空中。 这意味着韦伯无法像哈勃望远镜那样将它的转向隐藏在地球后面。 韦伯是一架大型望远镜，因此它的转向速度比时钟的分针还要慢。 因此，如果您想将其转动 180 度，那将花费大部分时间。 因此，用性别化的语言来说，调度是经典的“旅行推销员”问题——您如何优化一堆不同的“站点”以形成一条路线？ 我们将天空中彼此靠近的一系列访问联系起来，以避免进行大型、耗时的转向。
韦伯和哈勃望远镜的另一个重要区别在于调度和望远镜的维护，那就是动量积累。 事实证明，光子携带动量这一事实限制了望远镜的寿命。 因为推进剂是韦伯寿命的主要限制因素之一，而动量管理是韦伯推进剂的主要用途之一。
您能为我们解释一下吗？
撞击韦伯遮阳罩的光子会施加扭矩。 现在，我们可以调整遮阳罩的方向以抵消扭矩——但我们希望将望远镜指向目标，而不是通过阳光完美地平衡遮阳罩。 因此，光子击中遮阳罩，它们施加扭矩，韦伯的反应轮旋转起来以抵消这种影响并保持望远镜指向。 但是反应轮只能旋转这么快。 它们偶尔必须释放它们的角动量。 在低地球轨道上，哈勃望远镜只需将反应轮与地球磁场耦合即可减慢它们的速度。 这在深空中行不通，因此韦伯改为发射推进器以对抗反应轮的旋转。 我们会定期进行这些动量释放，每次都会消耗少量推进剂。 但是，正如您所提到的，在这个阶段，我们有足够的推进剂进入 2040 年代，因此韦伯的寿命更有可能受到组件寿命的限制…… 老实说，当这架望远镜还是一个刚刚睁开眼睛的新生儿时，就计划它的养老院日子，感觉很奇怪！
那么，您可能不喜欢下一个问题：假设一切都保持良好，并且推进剂不可避免地耗尽，韦伯将如何消亡？
哇，所以我们真的在谈论这个东西的死亡。 我几乎不想谈论这个；感觉太早了，因为它是一架全新的望远镜。 这就像在谈论婴儿的死亡。 如果我们谈论的是受推进剂限制，一旦这种资源耗尽，我们将无法控制指向以确保太阳能电池板始终看到太阳，而望远镜永远不会看到太阳。 最终，太阳能电池板会陷入阴影足够长的时间，以至于不太可能恢复。 我想那就像韦伯的最后一口气。 那时我们就会知道它真的死了。 但是，再说一次，很难知道韦伯在它的暮年究竟会发生什么，因为它还是个新生儿。
例如，我们已经对一颗微流星体的撞击感到惊讶，它对主镜片组件之一产生了超出预期的影响，我们正在积极研究此类事件可能对韦伯正在进行的光学性能意味着什么。 微流星体是轨道上生活的一个事实，它将逐渐降低镜片和遮阳罩的质量——我们已经过度设计并考虑到了这一点——但这是否是每五年发生一次的事件，只是我们运气不好，或者我们是否会遭受比我们预期的更多的撞击？ 我们正在努力弄清楚这一点。 当然，我仍然计划进行一次长期而富有成果的任务。
的确。 您知道，看起来您和其他在韦伯工作的人，非常合理地，对它产生了情感上的依恋。 这是否使驾驭望远镜迄今为止短暂生命中的所有各种成败时刻更具挑战性？
嗯，对于韦伯调试的每个不同阶段，感觉都会发生变化。 在发射期间以及发射后的最初几周，当我们进行重大部署时，有几天关键的日子，我们知道我们可能会在那一天失去任务。 我们对这一点很坦诚；NASA 甚至制作了一个名为“边缘上的 29 天”的视频。 我试图以宿命论的态度对待那些日子：“如果它不起作用，我们就没有任务了。” 随着一个又一个部署成功，我意识到我正在经历悲伤的各个阶段。 主要是讨价还价：“哦，请让我们把二级镜放出来，我甚至不需要主镜展开它的两个翼片！”
为什么是二级镜？
“二级”这个词让人觉得它不是那么重要，或者只是一个备用。 但在望远镜中，二级只是意味着光线在主镜之后第二次击中它。 韦伯的主镜是标志性的，而且更大。 但那个 0.7 米的二级镜片至关重要。 如果二级镜片部署失败，那么从那面华丽的主镜片反射的光线将飞向太空，永远丢失，而不是被科学仪器收集。 即使主镜片没有完全展开，如果我们仍然有二级镜片，我们也会有一架功能正常但性能下降的望远镜。 因此，当二级镜片完美部署时，我意识到在过去 11 年里，我一直在为这个东西承担着多少担忧——而且我的许多同事为此工作的时间更长。
值得庆幸的是，我们已经完成了那些成败时刻，以及紧张的编排和测试的“调试”阶段。 望远镜已冷却到其目标温度，光学器件已对齐，科学仪器已准备就绪。 我们一直在了解太空望远镜的真实性能，并且通过第一批科学图像，我们将展示的不仅是韦伯正在工作，而且它完全有能力完成为其建造的所有惊人科学任务。 这是一种美妙的感觉。