在位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心，该机构有史以来最大的科学项目终于初见端倪。
在一个体育馆大小的洁净室里，激光制导机械臂在芥末黄色的脚手架上占据主导地位，身穿兔子服的技术人员已经完成了詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜，这是一个耗资 90 亿美元的轨道天文台，计划于 2018 年发射升空，由 NASA 与欧洲和加拿大航天局合作建造。在机械臂的抓取和技术人员的引导下，最后一块由 18 个轻质镀金铍制成的六边形镜片已经安装到位，标志着该天文台历时数十年的发射之路迎来了迄今为止最切实的里程碑。
每块镜片都有一张咖啡桌那么大，但中空设计使其重量仅为 20 公斤。整个镜片的边到边跨度为 6.5 米。在与仍在建造中的望远镜的其他部分结合后，它最终将被发射到距地球约 150 万公里的深空目的地。在那里，在被称为 L2 的引力静止点，韦伯将开始天文学家所说的对宇宙的革命性研究。
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镜面朝向天空，凹面朝上，在一个被称为背板的碳纤维支撑网中，看起来像昆虫巨大、不眨眼的复眼。对于卡内基科学研究所的资深天文学家艾伦·德雷斯勒来说，韦伯完成的镜片让人联想到其他的解剖结构。“镜片是望远镜的心脏，”他说。“完成韦伯的镜片就像听到了这个宏伟生物的第一次心跳，它将带领我们回到宇宙诞生之初。”
这听起来可能有些夸张，但是，宇宙确实是一个充满戏剧性的地方，德雷斯勒已经等待这一刻超过二十年了。在 20 世纪 90 年代初，在 NASA 哈勃太空望远镜发射后，他主持了一个有影响力的委员会，该委员会建议该机构的下一个伟大的天文台应该做哈勃望远镜无法做到的事情——回溯到几乎时间的开端，回到“第一道光”，那是 130 多亿年前，恒星和星系首次凝聚并结束了宇宙的原始黑暗时代。天文学家可以通过见证第一道光，以前所未有的细节重溯宇宙的演化历程，观察星系的形成和增长、随后几代恒星的出现以及行星系统的诞生。现在，韦伯望远镜终于准备好做到这一点了。
为了看到宇宙中第一道光被点亮时的景象，望远镜需要一面比哈勃望远镜 2.4 米镀银玻璃盘更大的镜片。它还必须非常冷。当来自那些最初发光物体的可见光穿过膨胀的宇宙时，它像太妃糖一样被拉伸，变成幽灵般的红外光芒，只有被冷却到接近绝对零度（宇宙中最冷的温度）的东西才能看到——确切地说是感受到。要理解瞥见这些遥远星系有多么困难，请想象一下仰望月球，试图找到其表面上儿童夜灯的微弱光芒。韦伯的规划者表示，在寻找第一道光时，它将尝试看到比这暗淡 20 倍的星系。
随着韦伯越来越接近开启太空科学的新时代，人们可能会想知道它从何而来，它到底会做什么，以及它的任务完成后，可能会发生什么。当天文台巨型镜片的最后几块镜片被安装到位时，我参观了戈达德，与最了解韦伯的人们——那些科学家和工程师们进行了交谈，他们通过漫长、坎坷和多代人的孕育，将它带入了现实。
错综复杂的韦伯
韦伯最杰出的科学拥护者可以说是约翰·马瑟，他是戈达德一位身材修长、说话轻声细语的天体物理学家，穿着朴素的鞋子，露出憨厚的笑容。他谈论韦伯就像一位祖父般的童子军领队谈论生火或打结一样——他的措辞中有一种舒缓的、近乎纯朴的耐心，他喜欢用简短、简单的总结来理清复杂的细节。他拥有诺贝尔物理学奖，这也没有什么坏处，他因对宇宙微波背景（大爆炸的微弱余辉，构成了宇宙的第一张和最早的婴儿照片）的开创性研究而获奖。
马瑟在 1995 年成为韦伯的高级项目科学家时还不到 50 岁，而今天已接近 70 岁。在所有这些时间里，他一直在努力将下一组照片放入他的宇宙相册中，即望远镜承诺的来自神秘的第一道光时代的图像。没有人真正知道第一批恒星是什么样子的，或者宇宙的第一个发光物体是否甚至是恒星。相反，马瑟说，第一道光可能来自超级黑洞，它们是邋遢的食客。这些位于大多数星系中心的数十亿太阳质量的庞然大物，一定是通过吞噬原始宇宙中大量的气体而变得臃肿起来，在其张开的大嘴周围形成了炽热的吸积盘，就像竞技食客下巴上的烧烤酱一样。宇宙的第一道光可能来自黑洞餐桌上的发光碎屑，如果是这样，韦伯可以告诉我们。
然而，如今，马瑟最兴奋的是韦伯可以揭示我们宇宙中近处的、当代的角落，而不是遥远的过去。天文台敏锐的红外视觉可以穿透尘埃笼罩的分子云和星周盘的中心，观察世界的成长，就像子宫中的胚胎一样。他说，韦伯的巨型镜片足够大，可以窥探水蒸气的迹象——可能是海洋的证据——在一些位置有利的小型、可能只是岩石和类地行星上，这些行星围绕着我们最近的邻近恒星。“从我六七岁起，我就一直在想‘我们是如何来到这里的？’但我找不到答案，”马瑟说。“我们对原始宇宙一无所知。我们不知道行星是否是太阳独有的还是普遍存在的。我们仍然不知道生命是独有的还是普遍存在的。韦伯可以致力于解决沿途的每一步。”
然而，尽管韦伯承诺带来所有变革性的科学，但它的发展一直受到困难的困扰。最初预计耗资不到数十亿美元，最早于 2011 年发射，但反复的进度延误和预算超支很快使韦伯成为 NASA 最麻烦和最令人担忧的项目之一。由于其他规模较小的 NASA 天体物理学项目为了弥补韦伯不断膨胀的成本和延误而遭受延期和取消，该天文台赢得了“吞噬天文学的望远镜”的恶名。天文学家们怀疑，以一位带领该机构度过阿波罗鼎盛时期的 NASA 局长命名的韦伯，是否真的会升空，如果升空，其不断膨胀的成本是否会使其成为该机构伟大的天文台计划的最后一口气。
麻烦在 2010 年和 2011 年达到顶峰，当时受够了的国会议员威胁要完全取消韦伯的资金。由于一项独立审查以及随后的全项目“重新规划”，韦伯获得了更多资金并幸存下来。在随后的几年里，韦伯一直控制在新预算范围内，并按计划于 2018 年 10 月发射。“我们经历了一次濒死体验，”马瑟说。“我们不得不告诉国会预算不够，他们要么杀死韦伯，要么使其正确。从我的角度来看，奇迹发生了。”
早期麻烦的部分原因是韦伯依赖于全新的技术——例如其大型低温镜——这些技术的开发注定要比大多数人预期的要长。“我们很快就认识到，[制造韦伯]可能需要大约 20 年，”加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家加斯·伊林沃思说，他一直深度参与望远镜的规划。“但 30 年——对于我们这些四十岁出头的人来说，有点太长了！”
制造镜片
与马瑟和伊林沃思这样的老前辈相比，负责 NASA 韦伯所有光学元件的戈达德工程师李·范伯格是该项目中的相对新人——也许他满头浓密的黑发，没有一丝灰白，就最好地证明了这一点。他于 2001 年加入，当时他的女儿还是个蹒跚学步的孩子。现在，她即将高中毕业，当望远镜发射时，她几乎就要大学毕业了。“经过这么多年，我的孩子们感觉望远镜也是他们的父母，我们的家庭包括一个名叫韦伯的家伙！”他开玩笑说。
范伯格的工作之一是弄清楚如何制造适合发射到太空的韦伯 6.5 米镜片。为了装入火箭，巨型镜片必须是分段的且可收纳的，以便可以像折纸一样折叠和展开。尽管它将比哈勃望远镜的镜片大近三倍，收集面积几乎是哈勃望远镜的七倍，但它的重量必须轻得多。玻璃相对容易加工，但也很重，并且对低温温度的耐受性不强，因此范伯格和他的同事选择了铍镜——这是使整个天文台变得轻巧的几项创新之一，其总质量不到哈勃望远镜的一半。在某些情况下，韦伯的建造者不得不开发新技术，只是为了确认其他新技术有效，例如用于监测低温罐内镜片的耐寒光学系统，或者用于测量和引导抛光过程中镜片表面精确雕刻的激光计量平台。
最终，在镜片上投入了如此多的精力，以至于它们的完成时间提前了。经过一个生产过程，它们在美国各地专门的实验室之间曲折地穿梭，这些实验室分散在八个不同的州，过去两年里，这些镜片一直存放在戈达德，等待其他滞后的组件完成，这些组件是组装它们所必需的。不过，最终，韦伯心脏的所有元素都汇集在一起了。“当我开始从事这项工作时，我被告知这将是一场马拉松，而不是短跑，但我觉得我们刚刚冲刺了一场马拉松，”范伯格说。“主镜的组装是一个巨大的里程碑，真正表明我们已经克服了迄今为止遇到的每一个可能的障碍。”
即便如此，韦伯在到达发射台和 L2 之前还有很长的路要走。以前没有人建造过如此巨大的太空望远镜，更不用说一个旨在在如此寒冷的温度下在如此远离地球的地方部署和运行的望远镜了。今天，最令人担忧的可能是韦伯的遮阳罩，这是一个由五层网球场大小的超薄聚酰亚胺薄膜制成的塑料遮阳伞，旨在阻挡阳光并将望远镜冷却到其 50 开尔文的工作温度——大约是冥王星的平均表面温度。与天文台的镜片一样，遮阳罩也将被收纳起来以进行发射，然后在太空中远程释放。遮阳罩的展开将是一个名副其实的高度紧张的过程，其中一个极其复杂的执行器、滑轮和钢丝系统将每层薄膜拉紧并展平，以消除材料中可能破坏任务的任何褶皱或撕裂。许多韦伯老手将遮阳罩的展开比作从飞机上跳伞，伞包绑在你的背上，而伞包是别人打包的——你怎么能真正知道它会打开呢？
在这种情况下，“别人”是航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼公司，它是 NASA 韦伯的主要承包商。在与戈达德隔着整个国家的加利福尼亚州雷东多海滩，该公司的技术人员正在组装和测试遮阳罩——特别关注其包装和展开。最终，望远镜的所有部件都将通过卡车、铁路和航空运输被运到雷东多海滩进行组装。然后，韦伯将被装载到驳船上，驳船将通过巴拿马运河，到达南美洲东北海岸，在那里，它将从法属圭亚那的航天发射场搭乘欧洲航天局提供的阿丽亚娜 5 号火箭发射升空。
随着其完成的硬件最终汇集在一起，为最后的发射冲刺做准备，关于望远镜及其建造的一切都显得无比宏伟，甚至有些滑稽地不成比例。除了它的误差容限。哈勃望远镜是 NASA 上一次在一个项目中尝试如此多伟大的技术飞跃，但在其主镜被发现抛光不正确后，它几乎在抵达时就宣告死亡。宇航员乘坐航天飞机前往哈勃望远镜进行维修，随后的维修任务反复升级了望远镜出现故障的硬件。但是，当韦伯发射升空时，将没有 B 计划——望远镜的大部分成本都来自其建造者必须进行的测试，以证明其所有新技术都将按预期工作。
它会工作吗？
“你想知道为什么韦伯花费如此之多吗？”迈克·门泽尔在我们从俯瞰洁净室的观景区凝视镜片时问道。“我来告诉你。”
门泽尔是 NASA 韦伯的系统工程师，自 1997 年以来一直从事望远镜的工作。如果你不知道他是一名工程师，你可以通过他梳理得一丝不苟的灰发、永远高挑的眉毛以及他从浓密、修剪整齐的胡须后面说出的技术俏皮话来猜到。除了韦伯的总体项目经理、戈达德的比尔·奥克斯之外，门泽尔是 NASA 官员，负责望远镜设计和测试的方方面面，直至整个天文台的每个螺栓、电路和电缆。
他带领我们离开洁净室，穿过一系列走廊和门。我们路过一个游泳池大小的圆柱体，它被盘绕的管道和蒸汽滚滚的阀门所环绕。这是一个模拟深空条件的低温真空室，望远镜的科学仪器正在里面进行漫长的测试。我们路过其他房间，这些房间排列着振动的“振动台”和巨大的气喇叭，在这些腔室中，组装好的镜片、仪器和其他望远镜组件将受到模拟火箭发射升空的剧烈 G 力和声波冲击。
我们终于到达了门泽尔的办公室，在那里他打开了桌面电脑上的一个文件，并在附近的平板电脑上显示出来。屏幕显示一块铍镜片静止地放置在振动台上，以头发丝般的公差嵌入望远镜背板的碳复合材料执行器和电线缠绕的巢穴中。安装在镜片背面的执行器将在太空中使用，以纳米级精度调整镜片的位置。
门泽尔说，选择铍作为镜片材料不仅是因为它重量轻，还因为它在低温温度下几乎不会变形。尽管如此，变形无法完全消除，因此每块镜片都是经过精心抛光工艺的产物，以精确抵消变形——技术人员冷冻镜片，测量变形，将其恢复到室温，然后抛光表面以消除变形。如果在“低温”下，镜片表面的某一部分形成纳米级的山丘，那么在室温下，山丘将被抛光成尺寸完全相同的山谷。当再次冷却到接近绝对零度时，山谷将变形为平原，镜片将变得平坦。该工艺使咖啡桌大小的镜片表面的平均表面误差仅为 25 纳米——相当于一张笔记本纸厚度的四千分之一。如果放大到美国大陆的大小，一块冷冻镜片的最高地形特征将略小于 8 厘米高。
“所以这个东西需要将近五年的时间来建造，并且可以稳定在 25 纳米，”门泽尔说。“然后我把它交给我们的结构分析师，这就是她对它所做的事情。”门泽尔平板电脑上的图像开始移动。振动台启动，镜片开始剧烈地来回振荡，直到它看起来像一块运动模糊的菠萝果冻。我注意到我正在咬紧牙关，仿佛它们会因为观看而从我的头骨中震动出来。
门泽尔笑了笑。“如果她不这样做，发射载具就会这样做。其中一些组件在这里感受到了 11 个 G 力，但当一切结束后，它们和镜片都和以前一样好。进入太空简直是地狱。与我们将哈勃望远镜建造得像砖砌厕所一样坚固并按原样发射到轨道不同，在这里，我们建造了一架漂亮的望远镜，并证明它在地面上很棒，然后我们将它全部折叠起来，发射它并在深空中重新组装它。这就是为什么它如此昂贵。”
然而，发射并不是门泽尔担心的——他担心的是展开。他在脑海中无数次地演练了整个过程。发射半小时后，在距离地球 10,000 公里的地方，望远镜与助推器分离。它展开太阳能电池阵列和通信天线，在前往月球的途中，并在发射后两天半经过月球。在接下来的两周里，韦伯缓慢地展开其遮阳罩和镜片，一系列动作如此精细地编排，以至于它们似乎值得一场交响曲。
“一旦我们经过月球，我的血压就会飙升，”门泽尔说。“我们都开玩笑说好奇号漫游车前往火星，以及其团队谈论的‘大气层进入、下降和着陆的 7 分钟恐怖’。嗯，我们有两周的恐怖，因为我们看着事情展开。如果在两周后一切顺利，那我就迷失自我，开始狂欢了。”
发射倒计时
对于门泽尔来说，韦伯看到第一道光将实现他童年的梦想，并使多年的压力变得值得。“当我还是个孩子的时候，我想成为一名天文学家并建造自己的望远镜，当时世界上最大的望远镜[在当时]就在我长大的地方附近，帕洛玛山上的海尔望远镜。它的镜片直径为 5 米，重量为 50 万公斤。它是个庞然大物。嗯，韦伯的镜片比它更大，而且重量只有 6,620 公斤。对不起，6,338 公斤——它实际上是超轻的！而且我们正在将其送往月球之外，以观察宇宙中最初出现的事物。”
韦伯的任务计划仅持续五年，但门泽尔和马瑟确信，通过仔细管理天文台的推进剂车载储罐（用于稳定其在 L2 点的位置），他们可以使韦伯运行至少十年。门泽尔说，在微陨石和宇宙射线的持续轰击下，仪器和其他硬件的逐渐退化更有可能结束任务，而不是其他任何事情。部分基于戈达德高级工程师弗兰克·塞波利纳（他是卫星在轨维修的先驱）的游说，NASA 在韦伯的对接环上增加了一些功能，以适应与宇航员或更可能是机器人的会合，但目前此类任务似乎风险太大、成本太高且为时过早，不值得认真考虑。
无论是否有维修任务，如果韦伯能够存活超过十年，最终其在 L2 点的轨道将短暂地、命运般地与地球的阴影对齐，切断天文台的太阳能电源几个小时——足以使其车载电池耗尽并可能失效。
NASA 已经在研究韦伯之后的下一步，即一个更适度的哈勃大小的天文台，称为 WFIRST-AFTA（别问为什么），旨在研究暗能量和其他行星系统。如果一切按计划进行，WFIRST 最早可能在 2024 年发射，成本仅为韦伯高昂成本的四分之一。除此之外，天文学家已经在制定继 WFIRST 之后8 到 16 米分段宽带望远镜的计划——尽管这看起来很奇特，但马瑟、门泽尔和其他专家认为，利用韦伯现在成熟的技术可以使建造这个庞然大物的成本不超过韦伯本身。这样的望远镜可以在附近数百或数千颗恒星周围寻找地球的双胞胎，寻找拥有海洋、云层、大陆，甚至可能还有生命的世界，这些生命也通过他们自己的太空望远镜回望着我们。
从这个角度来看，凝视着洁净室无菌环境中等待集成和发射的韦伯已完成的主镜，实际上是在瞥见未来的开端，地平线上黎明前的第一缕微弱的光芒。“韦伯的镜片建立在巨人的肩膀上，”韦伯的望远镜科学家、大学天文研究协会主席马特·芒廷说。“组装镜片是伽利略和牛顿望远镜开启的四个世纪进步的顶峰。我们现在即将发射人类有史以来建造的最大的太空天文台。对于我们这些制造望远镜的人来说，唯一比这更令人谦卑和兴奋的是想象接下来会发生什么。”