飘浮在我们头顶的 8 千多个人造飞行物中，哈伯望远镜大概最传奇，知名度也最高。哈伯望远镜构想最早可追溯到 1946 年，天文学家莱曼·史匹哲（Lyman Strong Spitzer, Jr.）提出太空建设天文台可观测到更多大气层吸收的红外线和紫外线，且观测极限更高。
设计制造近半世纪，哈伯望远镜（Hubble Space Telescope，HST）1990 年 4 月 24 日由发现号送上距地面 600 公里的轨道，一直工作至今。
▲“创生之柱”是哈伯望远镜最著名天文图像之一。
31 年间，基于哈伯观测的讯息累计产出 17,000 多篇论文，从暗能量到外星球再到黑洞，哈伯望远镜为天文学家解开宇宙一个又一个秘密，充当人类观测太空的双眼。
服役至今，哈伯望远镜历过 5 次人工维护，大大小小软件故障更不计其数。今年 6 月，哈伯望远镜因系统故障暂停工作，切换至备份系统；10 月 26 日，哈伯望远镜因通讯问题先切换成安全模式。
原计划运行至 2013 年的“太空之眼”还能坚持多久？ 天文学家目前还没有答案，但可肯定的是，年迈的哈伯差不多要退休了。为了看到更广阔的宇宙，科学家认为要尽快找到“继任者”。
下一个“地球”在哪？
宇宙还有别的生命吗？ 下一个适宜地球人居住的星球在哪里？ 这些小时候在《十万个为什么》看到的问题，科学界至今未找到答案。好消息是，这些问题很有可能是 NASA 未来 10 年天文工作的重点。
美国国家科学、工程和医学研究院上周发表《2020 年天文学和天体物理学十年调查》（Astro2020）报告，提到未来 10 年美国天文学优先考虑的三大研究主题分别为：寻找可能宜居的系外行星、了解黑洞和中子星的奥秘、研究星系形成和演化。
靠现有观测装备，想实现目标并非易事，例如寻找潜在宜居系外行星时，由于邻近恒星通常比行星亮百亿倍，黯淡的行星很容易被忽略。所以想完成如此宏大的研究目标，天文学家首要任务就是“升级装备”，也是 Astro2020 的重点之一──建造超越哈伯望远镜的新型巨型望远镜。
NASA 资助并建造体积比哈伯望远镜大且配备紫外线、可见光和红外线探测器的新型望远镜，估计耗资 110 亿美元，理想的话 2040 年代初可投入使用。新望远镜将配备日冕仪等装备，观测系外行星时可有效减少附近恒星光线干扰。
凯克天文台首席科学家 John O′Meara 接受 Axios 采访时简单介绍这宏大行星探索计划。接下来 10 年，科学家需搜寻 100 颗甚至更多类似太阳的恒星，据行星轨道筛选潜在的宜居行星。接着，天文学家分析可能性最高的 25 颗行星光谱，研究大气成分及是否有生命迹象。
新望远镜这时有重要作用，透过系外行星反射的光线，科学家可算出大气层化学成分。如果大气有氧气、甲烷和水等，这颗行星很可能孕育生命。“当我们看到宇宙除人类外的第一个生命迹象，看到遥远世界的生命痕迹，人类在宇宙的位置就会发生根本性改变。”John O′Meara 强调。
他补充如果人类观察 25 颗、50 颗甚至 100 颗系外行星都没有任何发现，也会完全改变对宇宙的看法。此观测任务需要紫外线、可见光、红外线等多种光谱合作分析，建造新大型望远镜非常有必要。然而从种种经验看，新太空探索计划大概不会一帆风顺。
建造第二台“哈伯”并非易事
▲ 康普顿伽玛射线望远镜。
1990~2003 年 NASA 成功制造并发射 4 台大型太空望远镜，分别是哈伯太空望远镜、康普顿伽玛射线望远镜（2000 年坠毁）、钱德拉 X 射线望远镜和史匹哲太空望远镜，称为大型轨道天文台计划。
▲ 钱德拉 X 射线望远镜。
大型轨道天文台计划将天文学研究往前推一个时代，因红外线、X 射线和伽马射线很难穿透地球大气层，因此只能透过太空望远镜观察，每台望远镜都对各自领域有重要贡献。
1996 年，NASA 和欧洲太空总署（ESA）、加拿大太空总署（CSA）合作开发下一代太空望远镜，并以 NASA 第二任局长詹姆斯·韦伯命名，预算为 5 亿美元，计划 2007 年启动。
然而詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）建造难度之大，远远超出 NASA 预计，太多工程延误和成本超支，2005 年重新设计，发射时间一拖再拖，直到今年终于可能发射。原定 10 月 31 日发射的 JWST 因亚利安 5 号运载火箭问题，发射日期又延后到 12 月 18 日，如无意外，一个月后历时 24 年的重大计划将有历史性突破。
JWST 常视为哈伯望远镜继任者，但两者工作并不完全相同。 JWST 主要任务是观测大爆炸理论的残余红外线，也就是观测宇宙初期状态，因此形态和工作环境都和哈伯望远镜不同。
首先是高度，比哈伯望远镜 600 公里轨道高度，JWST 更高，距离地球最近时（近拱点）也有 37.4 公里，最远时（远拱点）可达 150 万公里。因 JWST 镜片必须于低于 50K（-220°C）环境工作，为了维持低温，JWST 设计 5 层可抵挡约 300°C 的遮光罩，以遮挡太阳和地球反射光线。
外观看，JWST 几乎由巨大镜片和遮光罩组成，主镜直径达 8 米，镜面面积是哈伯望远镜 5 倍以上，遮阳罩面积相当于一个网球场。要让如此庞大的结构在太空准确安全释放展开，是巨大的难题。NASA 工程师 Mike Menzel 在新闻发表会提到，JWST 太阳盾展开将是最复杂的任务，失败的可能性超过 300 种。
JWST 预估耗资高达 96.6 亿美元，远超过预算。不少天文学家担心，由于 JWST 长期拖延并严重超支，新望远镜建设可能很难得到资金支援。但从另一个角度来看，问题百出的 JWST 也留下不少宝贵的开发经验。
Astro2020 报告总结不少 JWST 的开发经验，提出 4 项更细节的概念，让新望远镜开发计划比 JWST 更完善。如果顺利，人类对宇宙的认知将再度飞跃。宇宙是否有外星生命？答案可能在本世纪内揭晓。
（本文由 爱范儿 授权转载；首图来源：NASA）
