詹姆斯·韦伯太空望远镜：揭示宇宙起源

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

JWST原名下一代太空望远镜（NGST），2002年9月更名以纪念前NASA局长詹姆斯·韦伯。JWST是NASA、加拿大航天局（CSA）、欧洲航天局（ESA）、航空航天制造商诺斯罗普·格鲁曼及空间望远镜科学研究所（发射后运营望远镜）的国际合作项目。

红外技术

JWST与哈勃等前代空间望远镜有何不同？首先，1990年发射的哈勃是光学望远镜；JWST是红外望远镜。光波在不断膨胀的宇宙中传播时会被“拉伸”，波长变长、变红。遥远恒星发出的曾经可见光最终偏移至红外波段，光学望远镜如哈勃无法探测。JWST专门设计用于捕捉这些红外光波，并用最先进的光谱学分析。

JWST非首次利用红外技术探索宇宙。1983年NASA发射开创性的红外天文卫星（IRAS），成全球首个空间红外望远镜。美荷英联合项目，轨道高度559英里，任务持续10个月，在12、25、60、100微米波段观测逾25万红外源。该任务成功导致1985年航天飞机挑战者号（STS-51）搭载液氦冷却红外望远镜，最终催生2003年发射的斯皮策太空望远镜。

期间，欧洲航天局联合NASA和日本宇宙空间研究所（ISAS），于1995年11月发射红外空间天文台（ISO），为期三年任务，旨在观测约3万红外源，在2.5-240微米成像、2.5-196.8微米光谱，实时传回数据。1997年，NASA在维修任务2（STS-82）中为哈勃装备近红外相机和多目标光谱仪（NICMOS），赋其红外能力。

NICMOS由Ball Aerospace设计制造，是成像仪与光谱仪合一，含三个汞镉碲近红外探测器，键合蓝宝石基底，工作波段0.8-2.5微米。NICMOS运行1997-1999年因冷却剂耗尽停止，2002-2008年因维修任务3B（STS-109）装新低温制冷系统再次运行，2009年维修任务4（STS-125）中被广视场相机3（WFC3）取代。WFC3虽非严格红外仪器（含紫外/光学通道，200-1000nm），但有近红外探测器，捕捉800-1700nm波段。虽红外能力不如NICMOS（1700nm vs 2500nm），但WFC3可热电制冷，无需低温制冷。

主镜

可以说是迄今发射入太空最先进的科学仪器，JWST不仅结合哈勃和斯皮策优点，更远超两者，始于主镜尺寸。韦伯主镜直径6.5米，哈勃2.4米，斯皮策仅0.8米。

因该尺寸镜无法装入现有运载火箭，由18块六边形轻质铍镜片组成，入轨后展开并自动调整形状。每片镜经真空气相沉积镀金，厚度仅1000埃（100纳米）。按室温金密度（19.3g/cm³）计，镀金约48.25克——约高尔夫球质量——覆盖25m²面积。为何用金？反射率优异。金反射98%红外光，铝仅反射约85%可见光。

JWST设计绕L2点运行，距地球150万公里。离地球大气越远，负面影响数据质量的因素越少。也远离地球保护性磁场，高能宇宙射线可能干扰信号或产生电荷损坏敏感仪器。为额外保险，JWST设计有特殊屏蔽和导电材料，防电压积累损坏遮阳罩和子系统。望远镜每198天绕L2公转一周……若你想观测它。

遮阳罩

望远镜遮阳罩约网球场大小（21.197m×14.162m），是JWST最大元件。由五层硅涂层杜邦Kapton®组成，每层<1mm厚。主要作用是将望远镜冷侧（仪器所在）与向阳侧隔离。第1层最高耐383K（~231°F），第5层最高耐221K（~-80°F）、最低耐36K（~-394°F）。因红外探测器偏好低温，且船载系统产热会污染采集的红外信号，望远镜首选工作温度<50K（~-370°F）。

考虑到遮阳罩尺寸和材料薄度，设计师面临工程挑战：使其足够坚固经受太空旅行。他们创造巧妙支撑肋系统，提供必要结构稳定性且不脆化。系统还能容忍太空碎片造成的小裂口撕裂而不失效。

技术上，JWST可分三部分：集成科学仪器模块（ISIM）、光学望远镜元件、航天器元件。

科学仪器

ISIM含JWST四大主科学仪器：近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）、精细导星传感器/近红外成像无狭缝光谱仪（FGS/NIRISS）。

亚利桑那大学和洛克希德·马丁制造的近红外相机有两大功能：一是用10,000秒曝光（约2.8小时）在600-5000nm波段成像。设计工作温度37K（~-393°F），将观测记录大爆炸后宇宙中最早形成的恒星和星系发出的光。二是持续监控主镜18片段性能，确保望远镜保持聚焦。

欧洲航天局提供的近红外光谱仪独特之处在于能同时分析3角分×3角分视场内多达100个目标，波段600-5000nm。得益于四组可编程狭缝阵列，含约25万微快门，每个仅100×200微米。NIRSpec有四种模式：多目标光谱（MOS）、积分场单元（IFU）模式、高对比度狭缝光谱（SLIT）、成像模式（IMA）。同近红外相机，将用于分析宇宙起源光。

中红外仪器兼具相机和光谱仪功能，接续近红外仪器，捕捉分析5000-28000nm波段光。关键是其砷掺杂硅探测器，即焦平面模块（FPM），分辨率1024×1024像素。MIRI低温冷却至7K（~-447°F），含低分辨率光谱仪，配锗和硫化锌棱镜，分析5000-12000nm波段。还配备掩星板，可研究系外行星。

最后，加拿大航天局制造的精细导星传感器/近红外成像无狭缝光谱仪，观测800-5000nm波段，双重功能：精细导星传感器提供JWST指向感，瞄准指定目标；近红外成像无狭缝光谱仪配2048×2048像素汞镉阵列，视场2.2ft×2.2ft，设计用于探测分析系外行星。

光学望远镜元件（OTE）顾名思义是JWST的“眼睛”。据NASA，含18六边形片段组成的6.5米主镜；0.74米圆形次镜；三级镜和精细导向镜；主镜背板组件和主背板支撑固定装置（也容纳仪器模块）；热管理子系统；后部可展开ISIM散热器（ADIR）；航天器波前感测控制系统。

子系统

最后拼图是航天器元件，含遮阳罩和航天器总线。除支撑望远镜全重6500kg外，石墨复合材料制总线还容纳JWST六大子系统：电力、姿态控制、通信、命令数据处理、推进、热控。

电力子系统主功能：将太阳能板收集的能量转为其他子系统所需电力。姿态控制管理望远镜在轨姿态稳定。通信子系统通过NASA深空通信网传输数据和指令信号。命令数据处理含JWST主计算机和命令遥测处理器（CTP）、固态记录器（SSR）数据存储。推进子系统含火箭和燃料箱，用于瞄准望远镜并保持轨道。热控子系统控制四个可展开散热器遮阳组件，维持飞船关键工作温度。

基于哈勃和斯皮策收集的海量高质量数据，对JWST可能带来的认知充满期待。预计任务寿命5-10年，科学家希望不仅了解宇宙起源形成，还收集黑洞、超新星、婴儿星系、可能孕育生命的遥远行星等谜题的宝贵信息。

无论发现什么，如《星际迷航》中虚构的企业号，JWST将给我们真实能力，科学地去“前人未至之境”。

本文由Photonics & Imaging Technology编辑Bruce A. Bennett撰写，SAE Media Group（纽约）。

来源

• Ivanova, Nelly. 2012. The James Webb Space
• Telescope Science Guide. Baltimore: Space
• Telescope Science Institute (STScl).
• https://jwst.nasa.gov/
• https://www.nasa.gov/