美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜推迟至2020年,天文学遭受损失

受损的推进器和撕裂的遮阳罩使望远镜可能被搁置到2020年5月——并使天文学和天体物理学陷入混乱

美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的光学器件和科学仪器组合体于2018年3月8日在加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普·格鲁曼公司的洁净室中,从其特殊设计的运输容器中取出。

一代人以来,天文学家一直在等待詹姆斯·韦伯太空望远镜,它是美国宇航局标志性的哈勃太空望远镜的继任者。周二,他们得知他们将不得不等待更长的时间,因为该机构官员透露,韦伯的发射日期已从2019年春季推迟到大约2020年5月——这一延迟可能会耗费数亿美元,突破了这架耗资88亿美元的望远镜的国会授权成本上限,并要求立法者要么提供更多资金,要么放弃该项目。

这一延迟也危及了下一个十年调查,这是由国家科学院每10年制定一次的战略计划,该计划评估研究前景,并就开发和资助未来几代的地面和太空望远镜向联邦机构和国会提出建议。原计划在韦伯发射并开始科学运作后完成的调查的下一次迭代现在可能会在韦伯(可以说是最重要的考虑因素)仍在地面上时发生。

这种延迟并不完全令人惊讶,即使韦伯主镜和科学仪器的建造和测试——其风险最大、最昂贵的部件——已经完成。这些部件于2月初交付给韦伯的主要承包商,即航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼公司,以进行进一步的测试并与望远镜的其余部分集成。但在当月晚些时候,美国政府问责局的一份报告警告说,该公司在观测站本应更容易的部分落后于进度。航天器推进器上的阀门在未正确清洁后出现泄漏,更换它们花费了将近一年的时间。韦伯网球场大小的五层折叠式“遮阳罩”在展开测试过程中也被撕裂,需要耗时的故障分析和维修。


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美国宇航局代理局长罗伯特·莱特福特说:“韦伯是该机构科学任务理事会最高优先级的项目,也是美国历史上最大的国际空间科学项目。”他将于下个月从该机构退休。“观测站的所有飞行硬件现已完成——然而,航天器组件暴露出的问题促使我们采取必要步骤,重新将工作重点放在完成这一雄心勃勃且复杂的观测站上。”

诺斯罗普·格鲁曼公司的发言人蒂姆·佩恩特说,该公司“仍然坚定地致力于美国宇航局,并确保成功集成、发射和部署詹姆斯·韦伯太空望远镜,这是世界上最先进的太空望远镜。”

据报道,诺斯罗普·格鲁曼公司现在有团队每天24小时都在研究望远镜,美国宇航局戈达德太空飞行中心的更多人员也将很快加入,该中心负责管理韦伯项目。尽管如此,这些挫折推迟了诺斯罗普·格鲁曼公司最关键的最终测试,这些测试将韦伯的组件暴露在类似太空的恶劣真空中,并在模拟火箭发射中晃动完全组装好的望远镜。“这比一年前任何人想象的都要花更长的时间,”天体物理学家、美国宇航局戈达德的韦伯高级项目科学家约翰·马瑟说。“但是我们必须做对。我们几乎完成了所有工作。我们只需要确保它在那里能够工作。不能冒险。”

韦伯(与它的前辈一样)在哈勃首次亮相近三十年后构思出来,长期以来一直被认为是技术上的杰作,它将在我们对宇宙的理解方面实现下一个巨大的飞跃。与位于近地轨道并通过多次维修任务得以维持的哈勃不同,韦伯将驻扎在月球轨道之外,并通过遮阳罩冷却到接近绝对零度。它的任务将持续到它在五到十年内耗尽燃料为止。韦伯凭借其高耸的位置,其先进的红外仪器和6.5米巨大的反射镜将看到哈勃永远无法看到的东西:宇宙最早的恒星和星系、在气体和尘埃的宇宙子宫中形成的胚胎恒星系统,以及围绕其他恒星运行的行星的大气层。对于天文学家来说,这些扩大视野的观点对于进步至关重要,以至于韦伯已成为他们领域长期未来的基石:如果把它拿走,所有围绕它制定的计划都会崩溃。

哈佛-史密森天体物理学中心的著名的预算超支太空任务批评家、天体物理学家马丁·埃尔维斯说:“像韦伯这样的单一任务的统治可能是一件坏事。” “它助长了一种‘大到不能倒’的综合症,因为它不能失败,你就不能真正地威胁取消它,而且人们会谨慎行事以确保它会成功。更多的谨慎意味着更多的测试和更多的资金,你必须提供这些资金以避免失败,因此你会得到一个成本膨胀的反馈回路。”而且韦伯仍然可能因为发射失败而粉身碎骨或沉入海底,或者因为其精心编排的部署顺序中的障碍而在太空中无用地漂流。火箭技术可能是一门科学,但它仍然是绝对不完美的。

早在2000年的十年调查中,美国天文学家就将韦伯列为新千年头10年的最高优先级。当时,该望远镜的预计成本约为10亿美元。然而,到2010年进行的下一次调查时,该项目已经花费了35亿美元用于开发一系列必要且昂贵的新技术。韦伯实际上已经变得太大而不能倒,2010年的十年调查别无选择,只能接受它。它还推荐了其他几个项目,其中最主要的是广域红外巡天望远镜 (WFIRST),与韦伯(当时计划于2014年左右发射的该领域的皇冠上的宝石)重叠并互补。

然而,在2010年十年调查之后不久,独立审查发现韦伯项目正处于危机之中。它消耗预算的速度如此之快,以至于建造望远镜的关键工作被推迟,导致未来因缺乏即时资金而使成本膨胀。美国宇航局和国会介入,通过“重新规划”重振了该项目,该计划使其预算上限增加到80亿美元(加上一旦进入太空的8.37亿美元的运营成本),发射日期为2018年10月。但在2017年9月,美国宇航局宣布,由于诺斯罗普·格鲁曼公司日益增加的困境和欧洲发射服务提供商阿丽亚娜航天公司的日程安排问题,韦伯的发射将被推迟到2019年春季。

受韦伯受损的推进器和遮阳罩的推动,最近推迟到2020年5月是基于美国宇航局马歇尔太空飞行中心副主任保罗·麦康瑙黑领导的另一项独立审查的结果。参与该项目的官员认为,如果这次延迟突破了韦伯的成本上限,那么它很可能只会超出几个百分点。即便如此,韦伯在满足新的发射日期同时尽量减少额外成本的压力如此之大,以至于美国宇航局采取了不寻常的步骤,成立了由前美国宇航局戈达德负责人托马斯·杨领导的第二次独立审查,以确定韦伯是否可以在不突破成本上限的情况下满足其最新的发射日期。

在2017年12月向国会作证时,杨对该项目表示了认可,一些业内人士认为这是对该项目的鼎力支持,而另一些人则认为这是对诺斯罗普·格鲁曼公司和“大到不能倒”综合症的空白支票:“[韦伯]正处于其发展的阶段,唯一重要的标准是任务成功,”杨说。“应该尽一切适当的事情来最大程度地提高成功的可能性。在项目的这个阶段,几天或几周甚至几个月的额外计划延迟或支出一些额外的资金,对于确保[韦伯]这样重要的任务的成功来说,是微不足道的代价。”

与此同时,WFIRST——美国宇航局计划中的韦伯的继任者和2010年十年调查的最高优先级——也经历了自身的动荡,遭受了中等程度的延迟和成本增长。它引起了特朗普政府的愤怒,该政府提议在白宫的2019财年预算中完全取消它国会空间科学界 迄今为止一直坚决反对该提议。由于预计在可预见的未来预算将保持不变,美国宇航局官员表示,韦伯的任何超支都可能由 WFIRST 的资金支付。反过来,这将导致后者的任务进一步延迟和成本增长,从而可能阻止它与韦伯同时运行——这是它存在的最初理由之一。

普林斯顿大学的天体物理学家、WFIRST 科学团队的联合主席大卫·斯珀格尔承认,这种权衡可能是值得的。“韦伯是有史以来最复杂的工程项目之一,也是美国宇航局建造的最复杂的科学任务,”他说。“我们都很失望;我们中的许多人都在热切等待韦伯的科学研究。然而,最好是适度延迟和适度超支(占韦伯成本的一部分),并取得成功的任务。”

其他有影响力的天文学家勉强同意。“当任何任务延迟时,你永远不会高兴,因为它意味着下一个任务也将不可避免地延迟,”亚利桑那大学的天体物理学家玛西亚·里埃克说。里埃克是韦伯的 NIRCam 仪器的首席研究员,也是国家科学院天文学和天体物理学委员会的联合主席,该机构与美国宇航局、国家科学基金会和国家科学院空间研究委员会一起帮助规划十年调查。

里埃克说,围绕韦伯和 WFIRST 的问题可能会推迟下一次此类调查,这至少会打乱其他领域的调查时间——特别是计划进行的行星科学的下一次十年调查。或者天文学的调查可能会按计划继续进行,而不知道韦伯是否会成功,特别是如果它将陷入困境的望远镜首先视为对未来类似雄心勃勃的任务的警示故事。“十年调查旨在衡量实际可实现的目标,”里埃克说。“因此,它在推动极限和可行性之间走了一条细线。”

换句话说,最简单的解决方案可能是让下一次十年调查按计划进行,并建议美国宇航局在 2020 年代追求一系列较小的、更便宜的太空望远镜,而不是更多数十亿美元的庞然大物。这种前景让一些天文学家不寒而栗,他们希望使用为韦伯付出如此巨大代价而开发的新技术来建造更大的太空望远镜。他们希望这些更大的项目能够直接拍摄附近恒星周围类似地球的行星的图像,以寻找生命迹象。

一位资深天文学家表示:“我现在担心的是,学术界会因为成本问题而不敢在下一个十年内推荐任何大型望远镜。”由于情况的政治敏感性,他要求匿名。“这将推迟任何大型项目的启动至2030年。要到2050年,才有可能建造并发射一个雄心勃勃的项目。那种认为资金可以在不同规模的任务之间转移的想法是错误的。如果NASA在韦伯望远镜和WFIRST之后不再追求另一个大型战略任务,就无法保证国会将所有‘节省’下来的资金投入到较小的任务中。更有可能的是,这些资金将用于将人类送上月球的火箭,或者用于NASA之外的其他项目。如果我们不小心,这可能会导致美国太空天文学黄金时代的终结。”

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大众科学, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大众科学 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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