詹姆斯韦伯太空望远镜

随着詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的发射，人类对宇宙及其起源的了解将呈指数级增长。

JWST 最初被称为下一代太空望远镜 (NGST)，并于 2002 年 9 月更名为前美国宇航局局长詹姆斯韦伯，JWST 代表了包括美国宇航局、加拿大航天局 (CSA)、欧洲航天局 (ESA) 在内的合作伙伴的国际合作，航天制造商诺斯罗普·格鲁曼公司和太空望远镜太空研究所，它将在望远镜发射后运营。

红外技术

JWST 与之前的太空望远镜有何不同，比如创造历史的哈勃太空望远镜？一方面，1990 年发射的哈勃望远镜是光学望远镜； JWST 是红外望远镜。当光波穿过不断膨胀的宇宙时，它们会被“拉伸”，这意味着它们会转变为更长、更红的能量波长。在某个时刻，来自宇宙中最遥远恒星的曾经可见光转变为红外波长，不再被哈勃等光学望远镜探测到。 JWST 专门设计用于捕获这些红外光波的图像，并使用最先进的光谱技术对其进行分析。

JWST 并不是科学家们第一次使用红外技术探索宇宙。 1983 年，美国宇航局将其开创性的红外天文卫星 (IRAS) 发射到轨道上，使其成为世界上第一台天基红外望远镜。这是一个由美国、荷兰和英国联合设计的项目，它在地球上空 559 英里的轨道上运行，任务持续了 10 个月，观察了超过 250,000 个 12、25、60 和 100 微米波长的红外源。该任务的成功导致 1985 年在挑战者号航天飞机 (STS-51) 上安装了氦冷却红外望远镜，并最终促成了斯皮策太空望远镜的研制，并于 2003 年发射。

在这些里程碑之间，欧洲航天局与美国国家航空航天局和日本空间与航天科学研究所 (ISAS) 合作，于 1995 年 11 月发射了红外空间观测站 (ISO)，执行一项为期三年的任务，旨在观测大约 30,000 个红外源，在2.5至240微米范围内进行成像，在2.5至196.8微米范围内进行光谱分析，并将数据实时传回地球。 1997 年，美国宇航局在服务任务 2 (STS-82) 期间为哈勃光学望远镜配备了近红外相机和多目标光谱仪 (NICMOS)，从而赋予了哈勃光学望远镜红外能力。

NICMOS 是一种由 Ball Aerospace &Technologies Corp. 设计和制造的组合成像设备和光谱仪，具有三个与蓝宝石衬底结合的碲化镉汞近红外探测器，设计用于在 0.8 至 2.5 微米波长下工作。 NICMOS 于 1997 年至 1999 年在冷却剂用完之前运行，然后在 2002 年至 2008 年在维修任务 3B (STS-109) 期间安装了新的低温冷却系统后再次运行，最终在 2009 年被宽场取代维修任务 4 (STS-125) 期间的摄像机 3 (WFC3)。虽然不是严格意义上的红外仪器——它还具有能够记录 200 至 1000 nm 波长范围内图像的紫外线和光学通道——但 WFC3 确实有一个近红外探测器，旨在捕捉 800 至 1700 nm 波长范围内的图像。尽管与 NICMOS（1700 nm 与 2500 nm）相比，其红外能力有限，但 WFC3 可以进行热电冷却，无需低温冷却。

镜子

JWST 可以说是有史以来发射到太空中技术最先进的科学仪器，它不仅结合了哈勃和斯皮策太空望远镜的最佳方面，而且将远远超过它们，从其主镜的大小开始。韦伯的镜子直径为 6.5 米，而哈勃的 2.4 米镜子和斯皮策的紧凑型 0.8 米镜子。

由于镜子尺寸太大，无法装入任何当前的运载火箭，它将由 18 个由轻质铍制成的独立六角形部分组成，一旦进入轨道，它们就会展开并自动调整形状。每个部分都将采用真空气相沉积法，镀上一层只有 1000 埃（100 纳米）厚的薄金层。从这个角度来看，考虑到室温下金的密度（19.3 gm/cm ³ )，相当于用 48.25 克黄金（与高尔夫球的质量大致相同）覆盖 25 米的表面积 ² .为什么是黄金？超强的反射率。黄金会反射 98% 收集的红外光，而铝等材料通常只反射约 85% 的可见光。

JWST 旨在绕距地球 150 万公里的 L2 点运行。望远镜离地球大气层越远，对所收集数据的质量产生负面影响的元素就越少。它也将远离地球的保护磁场，高能宇宙射线可能会干扰其信号或产生可能损坏望远镜敏感仪器的电荷。作为额外的保险，JWST 设计有特殊的屏蔽和导电材料，以防止电压累积和损坏飞行器的遮阳板和子系统。该望远镜将每 198 天绕 L2 绕一圈完整的轨道……以防万一你想观察它。

遮阳板

望远镜的遮阳板大约有一个网球场那么大（21.197m × 14.162m），是迄今为止 JWST 中最大的部件。遮阳罩由五层涂有硅的 Du-Pont™ Kapton® 组成，每层厚度小于 1 毫米，其主要目的是将装有仪器的望远镜的冷侧与面向太阳的一侧隔开。第 1 层可承受的最高温度为 383K (~231°F)，而第 5 层可承受的最高温度为 221K (~ -80°F)，最低温度为 36K (~ -394°F)。由于红外探测器更喜欢凉爽的温度，而 JWST 的机载系统产生的任何热量都会污染正在收集的红外信号，因此望远镜的首选工作温度低于 50K（~-370°F）。

考虑到遮阳罩的尺寸和材料的薄度，其设计师面临的工程挑战之一是使其足够坚固以承受太空旅行的严酷考验。他们通过创造一个巧妙的支撑肋系统实现了这一目标，该系统将提供必要的结构稳定性而不会变脆。该系统还可以容忍空间碎片造成的小撕裂和撕裂，而不会失败。

在技​​术方面，JWST可以分为三个部分：集成科学仪器模块（ISIM）、光学望远镜元件和航天器元件。

科学仪器

ISIM 包含 JWST 的四种主要科学仪器：近红外相机 (NIRCam)、近红外光谱仪 (NIRSpec)、中红外仪器 (MIRI) 和精细制导传感器/近红外成像仪和无狭缝光谱仪(FGS/NIRISS)。

由亚利桑那大学和洛克希德马丁公司建造的近红外相机将执行两项重要功能。第一种是使用 10,000 秒曝光（约 2.8 小时）捕获 600nm 至 5000nm 波长范围内的图像。设计为在 37K (~ -393°F) 下运行，它将观察和记录大爆炸后宇宙中形成的一些第一批恒星和星系产生的光。它的另一个重要功能是不断监测主镜的 18 个部分的性能，确保望远镜保持对焦。

由欧洲航天局 (ESA) 提供的近红外光谱仪的独特之处在于它可以在 600nm 至 5000nm 波长范围内的 3 弧分 × 3 弧分视场内同时分析多达 100 个物体。它之所以能做到这一点，要归功于一个由四组可编程狭缝掩模组成的创新系统，其中包含大约 250,000 个微型快门，每个微型快门的尺寸仅为 100 × 200 微米。 NIRSpec 有四种操作模式：多目标光谱 (MOS)、积分场单元 (IFU) 模式、高对比度狭缝光谱 (SLIT) 和成像模式 (IMA)。与近红外相机一样，它将用于分析从宇宙起源收集的光。

中红外仪器设计用作相机和光谱仪，并在近红外仪器离开的地方拾取，捕获和分析 5000nm 至 28000nm 波长范围内的光。其在该领域表现的关键在于其掺砷硅探测器，也称为焦平面模块 (FPM)，其分辨率为 1024 × 1024 像素。 MIRI 低温冷却至 7K (~ -447°F)，还包含一个低分辨率光谱仪，配备锗金属和硫化锌棱镜，可以分析 5000nm 至 12000nm 波长范围内的光。它还配备了日冕仪，使其能够研究系外行星。

最后，由加拿大航天局制造的精细制导传感器/近红外成像仪和无狭缝光谱仪旨在观察 800nm 至 5000nm 波长范围内的光，并执行两项功能。精细制导传感器提供 JWST 的方向感，将其瞄准指定目标。近红外成像仪和无狭缝光谱仪配备了 2048 × 2048 像素的汞镉阵列，具有 2.2 英尺 × 2.2 英尺的视野，旨在探测和分析系外行星。

顾名思义，光学望远镜元件 (OTE) 是 JWST 的眼睛。根据 NASA 的说法，它由 18 个六边形部分组成，构成 6.5 米的主镜； 0.74米圆形次镜；三级和精细转向镜；主镜的背板组件和主背板支撑固定装置，其中也装有仪器模块；热管理子系统；尾部可展开的 ISIM 散热器（ADIR）；以及航天器的波前传感与控制系统。

子系统

拼图的最后一块是航天器元素，它由遮阳板和航天器巴士组成。除了支撑整个 6500 公斤的望远镜质量外，由石墨复合材料制成的航天器总线容纳了 JWST 的六个主要子系统，即电力子系统、姿态控制子系统、通信子系统、指挥和数据处理子系统、推进子系统和热控制子系统。

电力子系统的主要功能是将太阳能电池板收集的能量转换为其他子系统所需的电力。姿态控制子系统管理望远镜在轨道上的方向和稳定性。通信子系统将通过 NASA 的深空通信网络处理数据和命令信号的传输。命令和数据处理子系统包含 JWST 的主计算机和命令遥测处理器 (CTP)，以及它的固态记录器 (SSR) 数据存储设备。推进子系统由火箭和燃料箱组成，用于瞄准望远镜并将其保持在正确的轨道上。热控制子系统旨在控制四个可展开的散热器罩组件并保持航天器上的临界运行温度。

基于哈勃和斯皮策太空望远镜收集的大量和高质量的数据，我们可以从 JWST 中学到的东西的期待和兴奋感是可以理解的。其预计的任务持续时间为 5 到 10 年，在此期间，科学家们希望不仅能更多地了解我们宇宙的起源和形成，还能收集有关黑洞、超新星、婴儿星系和遥远的其他谜团的有价值的信息。可能具有支持生命的潜力的行星。

不管它发现了什么，就像流行的星际迷航电视连续剧中虚构的星际飞船企业一样，JWST 将赋予我们真正的能力，让我们能够科学地去“以前没有人去过的地方”。

本文由 SAE Media Group（纽约州纽约市）光子学与成像技术编辑 Bruce A. Bennett 撰写。

来源

• 伊万诺娃，耐莉。 2012. 詹姆斯韦伯空间
• 望远镜科学指南 .巴尔的摩：太空
• 望远镜科学研究所 (STScl)。
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/