2011年7月8日清晨，佛羅裡達州卡納維爾角上空陰雲密布，一片朦朧。一股來自海面的微風吹拂著，為大約75萬名冒著夏日酷暑前來送別NASA「亞特蘭提斯號」太空梭的觀眾帶來了一絲涼意。這是長達三十年的太空飛行計畫的最後一次飛行，也標誌著一個充滿未知的新時代的開啟——在這個時代，人類或許能在星際間發現生命。
隨著倒數計時開始，太空梭指令長克里斯·弗格森與任務發射主管麥克·萊恩巴赫一起思考著太空梭計畫的結束。 「太空梭將永遠體現一個偉大國家敢於大膽創新並堅持到底所能取得的成就，」弗格森坐在十八層樓高、重達450萬磅的太空梭殘骸上，透過無線電說道。 “邁克，我們今天不是旅程的終點，我們只是完成了一段永無止境的旅程中的一個篇章。”
弗格森和許多前人一樣，呼應了隱居哲學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基的核心思想，齊奧爾科夫斯基是現代火箭科學之父。當奧維爾和威爾伯·萊特兄弟在基蒂霍克開創動力飛行先河時，齊奧爾科夫斯基則在俄羅斯一間偏僻的小木屋裡，滿懷熱情地撰寫著關於太空探索和人類在星辰大海中命運的文章。他設想將多級火箭發射到軌道上，在太空生活和工作，最終逃離太陽系。他還提出了著名的“火箭方程式”，這是一個數學公式，包含了影響火箭機動的所有關鍵變數。齊奧爾科夫斯基在早期的一篇論文中寫道：「絕大多數人類或許永遠不會滅絕，而只是隨著每顆恆星的熄滅，不斷地從一個恆星遷徙到另一個恆星。」 這篇論文闡述了他富有遠見的創作動力。 「因此，人類的生命、進化和進步永無止境。人類將永遠進步。如果真是如此，那麼人類必然會獲得永生。」這種關於地球之外無限未來的願景，雖然隱含其中，但很少被明確承認，它仍然是任何人類太空計劃背後最純粹、最高尚的目標。
在弗格森於卡納維爾角模仿齊奧爾科夫斯基的口令後不久，太空梭的引擎和火箭助推器便轟鳴啟動。亞特蘭提斯號載著太空人衝向天空，金色的火焰和電藍色的衝擊波交織成一片顫動的瀑布。然而，這場盛大的飛行表演之後，美國宇航局的太空計劃卻陷入了悄然的衰落：美國宇航局缺乏航天飛機機隊的替代機型，不得不縮減整個機構的各項計劃。
太空梭誕生於阿波羅計畫的技術革新時期，原本被設想為一種革命性的可重複使用太空船，每週飛行一次，使太空旅行變得廉價、頻繁且常規。然而，尼克森總統卻因預期的高昂費用而猶豫不決，最終誕生的太空船雖然外形優美、功能多樣，卻存在著無法彌補的缺陷。幾乎在所有方面——成本、飛行頻率、可重複使用性和安全性——航天飛機計劃都是一個失敗的“白象工程”，未能兌現其最關鍵的承諾。
唯一例外或許要數哈伯太空望遠鏡了。這台校車大小的機器人天文台由發現號太空梭於1990年送入近地軌道。經過一次大膽的太空維修後，哈伯望遠鏡開始發揮其應有的作用。它的視野極其清晰，足以觀測到火星上不斷變化的天氣、木星上爆炸性的彗星撞擊以及土星幽靈般的極光。透過觀測附近的恆星形成區，哈伯望遠鏡發現了被包裹在旋轉的氣體和塵埃盤中的年輕恆星，這些氣體和塵埃盤正在孕育著行星。哈伯望遠鏡最終證實，仙女座星系將在大約40億年後與我們的銀河系碰撞並合併。此外，透過對周圍星系的觀測，它發現幾乎所有星系的中心都存在超大質量黑洞。
在哈伯望遠鏡發射和維修後的幾年裡，NASA宣布了它的繼任者：下一代太空望遠鏡，後來更名為詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）。它的任務是完整地揭示宇宙中最早的星系，這些星系在哈伯望遠鏡拍攝的最深空影像中僅呈現為微小的紅色斑點。
正當NASA全力支持詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）之際，系外行星學領域也開始蓬勃發展。天文學家們首次能夠理性地探討尋找其他類地行星的可能性，這引起了公眾的極大興趣和讚譽。行星搜尋者們計算得出，在星際距離上，我們的星球在哈伯深空影像中會比典型的星系略暗一些。理論上，JWST能夠探測到這種差異，而且這台望遠鏡在拍攝遠離恆星的熾熱年輕氣態巨行星方面確實表現出色。但實際上，宜居行星往往離它們亮度遠超自身的恆星太近。
要拍攝一顆圍繞恆星運行的岩質行星，就像拍攝一顆未點燃的火柴旁邊的一顆即將爆炸的氫彈。例如，我們自己的地球在可見光波段比太陽暗約一百億倍──地球每反射一個光子到太空，太陽就會向外噴射一百億個光子。在紅外線波段，對比度會更好一些——在這些波長下，太陽的亮度只比地球亮約一千萬倍。要拍攝一顆圍繞恆星運行的岩質行星，就如同拍攝一顆緊貼著熱核爆炸中心的微弱塵埃，就像拍攝一顆未點燃的火柴旁的一顆即將爆炸的氫彈。你必須阻擋數百萬甚至數十億個熱核光子，才能看到即使是從行星反射的單一光子。只有太空天文台才能避免地球大氣層造成的模糊幹擾，並接收圍繞眾多恆星運行的潛在宜居行星的光線。
1996年初，在德州聖安東尼奧舉行的美國天文學會會議上，時任NASA局長丹‧戈爾丁登台演講。他描繪了NASA在詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）之後將立即採取的行動：圍繞天體生物學重塑NASA的整個科學計劃，並以新型生命探測太空望遠鏡作為核心。 「大約十年後，」他解釋說，NASA可以發射「行星探測器」（Planet Finder），這是一個能夠定位潛在宜居行星並拍攝其低解析度圖像的天文台。它將在每個行星像素簇的光譜中尋找大氣生物特徵。這是NASA「類地行星探測器」（TPF）任務概念最早的公開提及之一。戈爾丁告訴全神貫注的聽眾，如果行星探測器（TPF）在附近恆星周圍發現了有希望的行星，那麼“或許在25年後”，就能建造出更雄心勃勃的望遠鏡，以“足以觀測到海洋、雲層、大陸和山脈”的分辨率對這些行星進行成像。他後來表示，在21世紀的某個時候，那些被證實為生命世界的行星可能會成為星際探測器的主要目標。
不幸的是，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的研發比預想的要困難得多。為了拍攝最早的恆星和星系，這台望遠鏡需要一面比哈伯望遠鏡大得多的主鏡，而這面主鏡還要針對紅外線波段進行最佳化（分子雲、巨行星和最早的星系在這個波段最為明亮）。這面主鏡需要能巧妙地折疊收納到火箭整流罩內。在太空中，它需要低溫冷卻，以免自身產生的熱量掩蓋宇宙黎明時期的微弱光芒。最後，它無法在近地軌道上運行，因為地球在紅外線波段發出的類似燈泡的光芒會幹擾這些精細的觀測數據。
多個國際合作夥伴簽約建造儀器或提供運載火箭，但NASA將承擔大部分費用，早期估計約15億美元。發射暫定於2010年左右。隨著專案真正的複雜性和規模逐漸顯現，成本估算不斷上調，但幾乎沒有獲得任何額外資金。 JWST的資金不得不從NASA的其他太空科學計畫中挪用。最終，光是技術研發就需要超過20億美元。 JWST的進度開始延遲。項目總成本不斷攀升，越來越多的主要支出被推遲到未來。到2012年，JWST的建造、測試、發射以及最初五年的運行預計耗資近90億美元，發射日期最早也要到2018年。
國家和全球經濟危機加劇了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的初期困境。美國太空總署（NASA）的預算停滯不前，無法跟上貨幣通膨的步伐。柯林頓總統執政時期在1990年代累積的兆美元財政盈餘，在其繼任者小布希總統的減稅政策和無節制支出下，在21世紀初變成了數萬億美元的財政赤字。隨後，在2003年哥倫比亞號太空梭災難之後，布希總統提出了一個大膽的新目標，但缺乏資金和國會的大力支持：重返月球並將人類送上火星。
為了資助最終失敗的“星座計劃”，NASA在2006年決定從其科學預算中挪用數十億美元。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的研發陷入混亂，也粉碎了人們對快速研發和發射行星探測器（TPF）的希望，TPF計畫被正式「無限期推遲」。 2010年，歐巴馬總統取消了布希的計劃，但傷害已經造成。為了提供JWST充足的資金，美國NASA縮減、推遲或取消了幾乎所有其他重要的下一代天文物理和行星科學任務；如果JWST要取得成功，就必須以犧牲美國NASA大部分空間科學計畫為代價。由於缺乏資金和強大的機構支持，TPF的建造似乎如同星辰般遙不可及。
這個問題一直縈繞在約翰·格倫斯菲爾德的心頭。格倫斯菲爾德是一位天文物理學家，也是美國太空總署的太空人，曾執行五次太空梭任務，其中三次是為哈伯望遠鏡進行維修。媒體將格倫斯菲爾德譽為英雄，稱他為「哈伯博士」。他反覆思考國際太空站和太空梭耗資數千億美元，維持太空望遠鏡黃金時代所需的資金卻少得可憐。他想知道，美國宇航局強大的載人探索計劃如何再次與該機構的純科學部門建立強有力的合作關係。因此，在2003年和2004年，他擔任美國太空總署的首席科學家，並幫助布希總統的星座計畫開發科學應用。事實證明，大型火箭在發射超大型望遠鏡方面與將太空人送上月球一樣有用。這樣的火箭或許能讓詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST）以及未來可能更大的類似TPF的天文台的發射變得更加容易和經濟。然而，當星座計畫對NASA的科學預算造成巨大壓力時，這項計畫卻適得其反。 2010年初，格倫斯菲爾德離開NASA，前往位於馬裡蘭州巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所擔任副所長——該研究所是哈伯望遠鏡以及未來詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的核心營運機構。他與研究所所長、天文學家馬特·芒廷密切合作了近兩年，為未來建造類似TPF的望遠鏡奠定了基礎。他們首選的內部設計方案被恰如其分地命名為ATLAST（先進技術大口徑空間望遠鏡），旨在拍攝潛在宜居系外行星的圖像。哈伯博士變成了TPF博士，ATLAST博士。
但在2011年末，格倫斯菲爾德的電話響了。美國太空總署希望他掌管當時世界上規模最大的純科學預算，儘管這筆預算正艱難地應對各種繁雜的支出。他接受了邀請，回歸後，他不再像過去那樣高調倡導建造用於探測外星生命的太空望遠鏡，而是更加註重平衡美國宇航局所有科學項目。雖然沒有宣佈為尋找外星地球而投入巨資，但格倫斯菲爾德最親密的朋友和昔日的知己們仍然無法忘記他之前的熱情。為了撰寫這本書，我與美國太空總署進行了近一年的溝通，試圖採訪格倫斯菲爾德，但都無果。最終，我從他早前接受採訪時坦誠告訴我的內容中得到了慰藉。
「哈伯和韋伯望遠鏡或許無法解答宇宙中是否存在其他生命這個問題，」他說。 「我們需要下一代大型太空望遠鏡——也是我們能夠實現的——具備觀測距離我們最近的上千顆恆星周圍所有宜居行星的大氣層和表面特徵的能力。我們或許最終會發現我們並不孤單。我們或許最終會找到其他宜居世界，理論上，人類可以造訪每一個世界。這就是最終目標，我希望能夠說服公眾、國會以及未來的政府，讓公眾、國會
顯然，格倫斯菲爾德讀過齊奧爾科夫斯基的作品。
改編自李比林斯所著《五十億年的孤獨：星際生命探索》 ，經企鵝出版集團（美國）有限公司旗下Current出版社授權。版權所有©李·比林斯，2013年。
