詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）延期多年，预算超支数十亿美元，经常成为人们嘲笑的对象。从讽刺性的网络漫画到更严厉的批评，美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局的这一旗舰项目很容易成为目标。然而，许多人会争辩说，这些延误和预算问题恰恰表明了该望远镜前所未有的规模和远大的目标。如果它能如期在10月31日发射升空，它将是迄今为止送入太空的最大、最先进的天文台。JWST将位于距地球约150万公里、超出月球轨道的崇高位置，准备彻底改变我们对宇宙的理解。但是，这台望远镜到底要做什么，才能证明数十年的努力和花费是值得的呢？
上周我们找到了答案。3月30日，巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（STScI）公布了为JWST运营第一年（即周期1）通用观测者（GO）计划选定的提案。这些提案构成了望远镜在周期1期间执行的大部分观测，涵盖了从寻找附近岩石系外行星的大气层到探测宇宙最早的星系的一切内容。这些项目最早可能在明年这个时候开始，在此之前，望远镜的巨型6.5米分段镜和多层遮阳罩将进行高风险的发射后展开，随后还将进行为期六个月的仪器调试阶段。
一旦完成准备工作，周期1的观测就可以正式开始。JWST的开幕研究项目——约460小时——将用于旨在测试望远镜仪器性能的早期发布科学（ERS）计划。近4000小时将用于有保证时间观测（GTO）计划，这些计划授予帮助建造JWST硬件和软件的科学家。但在第一年，大部分观测时间——约6000小时——将分配给世界各地科学家提出的GO计划，以利用望远镜的独特能力。
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“这真的是一件大事，”STScI主任肯尼斯·森巴赫说。STScI将像运营该项目的前身哈勃太空望远镜一样，运行和操作JWST。“在一个全新的天文台中，有机会成为首批被接受的提案之一，而这个天文台有可能真正彻底改变天文学，这是科学界长期以来一直期待的事情。这些是探路者，是将在未来为天文台开辟道路的科学提案。”
一台属于所有人的望远镜
总时间分配特意加起来超过一年的小时数，以确保望远镜“超额预订”，永远不会无事可做。STScI长期规划组负责人大卫·阿德勒说，20世纪90年代早期哈勃望远镜的运行中就曾出现过项目不足导致天文台闲置的错误。JWST的时间将经过精心安排，使其能够在指向天空特定区域的同时，跨不同项目执行观测。阿德勒说，这种安排将确保它不会不断来回转动其视野，从而浪费燃料，并冒着积累动量而可能对望远镜施加“不必要的扭矩”的风险。
这些项目范围从高影响力科学到引领潮流的探路者观测，它们是由科学家小组通过双盲过程选择的，该过程防止了泄露可能不恰当地影响决策过程的信息，例如提案者的性别。在收到的约1200份提案中，评审小组从41个国家的科学家中选出了266份，其中三分之一将由女性领导。大约三分之一来自欧空局成员国——欧洲作为JWST的主要合作伙伴，保证至少获得望远镜15%的观测时间，但最终获得了30%——2%来自加拿大。然而，大多数提案来自美国科学家。
为了最大限度地提高科学回报，周期1通用观测者计划的总观测时间被分为各种子类别：32%用于星系，23%用于系外行星，12%用于恒星物理学，等等——最低为6%用于我们自己的太阳系。在这些类别中，有小型项目（25小时或更少的观测时间）、中型项目（超过25至75小时）和大型项目（超过75小时）。后者中的一些也被认为是“宝藏计划”，预计将提供广泛的数据集，为后代研究人员的后续研究奠定基础。
走向宇宙
在所有通用观测者计划中，最大的奖项授予了罗切斯特理工学院的杰伊汉·卡塔特佩和德克萨斯大学奥斯汀分校的凯特琳·凯西，他们的 COSMOS-Webb 提案获得了208.6小时的分配时间。卡塔特佩、凯西及其同事计划研究宇宙中数千个最早的星系，所有这些星系都形成于大爆炸后十亿年内。这些星系非常暗淡，以至于超出了人类望远镜的探测范围，除了哈勃望远镜的少数观测之外，直到现在。“这真的是无与伦比的，”卡塔特佩说。“哈勃已经取得了一些进展，但它确实受到其大小和灵敏度的限制。韦伯真的会彻底清理并探测到更暗淡的东西。”
这可能有助于我们理解宇宙历史的一个关键部分，即再电离时期，这是大爆炸后40万年至10亿年之间，第一批恒星和星系出现的时期。“我们认为再电离并非同时发生在所有地方，”卡塔特佩说。“它发生在口袋或气泡中。这些气泡与宇宙最初的大尺度结构有关。我们希望绘制出这种结构。”
另一方面，美国宇航局艾姆斯研究中心的娜塔莎·巴塔利亚和卡内基科学研究所的约翰娜·特斯克因其研究十几个系外行星大气层的提案而获得了第三大时间分配和最大的系外行星计划，这是以前从未有过的。在超过141.7小时的观测中，该项目将使用JWST的巨型镜面来观察这些世界凌日其宿主恒星，当它们从前方经过时阻挡星光，从而使研究人员能够计算出任何存在的大气层的基本组成和结构。
巴塔利亚、特斯克及其同事将观测到的世界，大小是地球的一到三倍，被认为是引人入胜的超级地球和亚海王星，JWST可以改变我们对这些行星类别的理解。“为了达到在真正潜在的类地宜居行星中寻找生物特征的程度，我们真的需要了解迄今为止发现的行星的完整多样性，”巴塔利亚说。“这种完整的多样性包括这些奇怪的超级地球[和]亚海王星，它们已被强调为星系中最常见的行星类型之一。我们真的不知道它们是什么。JWST对这些行星进行调查非常重要。”
另一个受欢迎的研究目标是TRAPPIST-1——一个距离地球40光年的凌日行星系统，据信由七个地球大小的世界组成，围绕一颗红矮星运行。研究人员认为其中一些世界可能适合居住，因此为了更深入地了解该系统，JWST的两个GTO计划和望远镜的三个GO计划将重点关注它。德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所所长劳拉·克赖德伯格是GO计划之一的负责人。该项目将使用JWST评估该系统第二颗最内层行星TRAPPIST-1c的温度，并在近18小时的观测中寻找该行星的大气层。
尽管TRAPPIST-1c本身被认为太热而无法支持生命，但大气层的存在表明，该系统中更冷且可能更宜居的世界也可能拥有大气层。目前只有JWST可以提供这些数据。“我们需要在远红外波段进行观测，”克赖德伯格说。“地球太热了。你必须有一台在太空中的低温望远镜，它具有[足够的]波长覆盖范围。JWST是唯一一台能够做到这一点的望远镜。”
无与伦比的家园
在我们自己的太阳系中，JWST的能力预计也将是变革性的。中佛罗里达大学的诺埃米·皮尼利亚-阿隆索计划使用该望远镜研究59个海王星外天体（TNO）——海王星轨道以外的冰冷天体——这是一项史无前例的观测活动，持续近100小时。JWST将能够辨别这些天体上存在的物质，例如水或复杂的有机物——这在以前只对40个最亮的海王星外天体是可能的。“我们即将通过JWST获得的关于太阳系的广泛知识与我们目前所拥有的知识相比，是无与伦比的，”皮尼利亚-阿隆索说。
还有一些高风险计划依赖于正在发生的事件，JWST可以迅速跟进，这被称为机会目标。美国宇航局戈达德太空飞行中心的马丁·科迪纳正在领导这样一个计划，该计划希望观测到像2017年的“奥陌陌”或2019年的鲍里索夫彗星那样穿过我们太阳系的星际天体。“我们祈祷我们能得到一个，”他说。如果它进入我们恒星的日地距离的几倍之内，JWST应该能够研究它——由科迪纳领导这项活动。“我们的目标，”他说，“是表征化学成分”，例如水和二氧化碳，让我们得以一窥来自另一个行星系统的物质。
这些计划只是JWST将释放的大量科学成果中的一小部分。但更重要的是，它们表明了研究人员和公众应该对这台望远镜抱有的变革性成果的期望。不过，就目前而言，世界必须焦急地等待JWST的成功发射，并希望每台机器都能按预期运行，以便打开这扇通往宇宙的美妙窗口。“当所有这些机制展开时，将会有几天的恐怖，”欧空局科学主任Günther Hasinger说。虽然许多人渴望尽快启动，但不会有任何匆忙——对JWST的嘲笑去他妈的。“要有耐心，”Hasinger说，“并祈祷我们能让这台神奇的机器进入轨道。”