宇宙的“婴儿期”，大约在宇宙大爆炸15亿年后，那时候第一批恒星和星系开始形成，迄今为止，我们仍然无法获得这些星系的直接影像，就是因为它们距离我们太遥远，如果没有一架足够强大的望远镜，是无法捕获这么遥远的光线。现在，是该揭开他们真面目的时候了，扎姆斯·韦伯太空望远镜来了。 1 发射历程 詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，缩写JWST）是美国航空航天局、欧洲航天局和加拿大航空航天局联合研发的红外线观测用太空望远镜，为著名的哈勃空间望远镜的继任者。 从1996年开始，美国宇航局向全国招标，寻找这个极端精密的新式空间望远镜计划。竞标的四个机构分别是：美国宇航局/戈达德宇航中心、美国TRW公司、著名的洛克西德-马丁公司和美国鲍尔航空宇宙公司。最后，TRW公司经过严格筛选终于夺帅。 詹姆斯·韦伯空间望远镜项目启动于1996年，起初称为“下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope，NGST）”，2002年改为现名，以纪念美国国家航天局的第二任局长詹姆斯·韦伯（James Webb）在阿波罗计划中发挥的关键性领导作用。 按原计划，韦伯望远镜本应在2007年发射，初始预算5亿美元，但后因预算等问题不断推迟。 1998年，预算扩充至10亿美元，并将发射计划推迟至2008年。 2000年，预算扩大至18亿美元，发射推迟至2009年。 2002年，预算扩大至25亿美元，发射推迟至2010年。 2003年，发射推迟至2011年。 2005年，预算扩大至30亿美元，发射推迟至2013年。 2006年，预算扩大至45亿美元，发射推迟至2014年。 2008年，预算扩大至51亿美元。 2010年，预算扩大至65亿美元，发射继续推迟到2015年。 2011年，预算扩大至87亿美元，发射推迟至2018年。 2013年，预算扩大至88亿美元。 2017年，发射推迟至2019年。 2017年9月，美国航天局表示，詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射窗口将从2018年的10月推迟至2019年的3月至6月之间。声明解释说，韦伯望远镜及其遮光板的体积和复杂性超过多数探测器，比如仅遮光板释放设备就要安装100多个，振动测试也要用更长时间，所以推迟到2019年春季从法属圭亚那库鲁航天中心用欧洲的阿丽亚娜5型火箭发射升空。 2018年3月28日，美国航空航天局再次宣布韦伯在2020年之前不会发射升空。5月6日，受一系列技术问题的困扰，JWST的最新发射日期已经被推迟到2020年。6月29日，据国外媒体报道，哈勃望远镜的“接任者”詹姆斯·韦伯望远镜将推迟至最早2021年3月30日发射。 2019年，因新冠疫情，发射推迟至2021年，预算追加到97亿美元。 2021年10月12日，詹姆斯·韦伯空间望远镜成功抵达位于南美洲的法属圭亚那，原定于12月18日在欧洲航天局阿丽亚娜5号火箭上发射升空。11月22日，NASA再次宣布詹姆斯 · 韦伯太空望远镜的发射时间从12月18日推迟到了22日。12月，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射再次被推迟。最新的计划是在2021年12月24日从法属圭亚那升空，比原计划晚了两天。 2021年12月22日，美国国家航空航天局称由于法属圭亚那欧洲太空港的恶劣天气条件，原定于12月24日发射韦伯太空望远镜的VA256航班被推迟，新的发射日期为12月25日。 法国当地时间2021年12月25日13时15分（北京时间25日20时15分），美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁基地成功发射升空。 美国东部时间2022年1月8日上午10时15分左右，美国国家航空航天局任务管理人员发出了展开望远镜的命令。10时30分左右，太空望远镜面板被展开。 韦伯太空望远镜从1996年开始研发至今，因各种原因一直未能升空，被人们称为“鸽王”。 2 基本参数 别名: 新一代太空望远镜（Next Generation Space Telescope，NGST） 轨道：距离地球 150 万公里，绕拉格朗日二点（L2）运行 波段: 红外线 波长覆盖：0.6 - 28.5 微米 轨道周期：约一年 任务持续时间5 - 10 年 总有效载荷质量：约 6200 kg，包括天文台、在轨消耗和运载火箭适配器。 光学系统形式：屈光式、牛顿式 主镜直径：约 6.5 m (21.3 ft) 主镜通光孔径（聚光面积）：25 m² 主镜质量：705kg 单个主镜段的质量：单个铍镜为 20.1 kg，一个完整的主镜段组件 (PMSA) 为 39.48 kg。 焦距：131.4米 主镜段数（=主镜片数）：18 光学分辨率：~0.1 弧秒 遮阳板尺寸：21.197 米 x 14.162 米（69.5 英尺 x 46.5 英尺） 遮阳层温度：第 1 层：最高温度 383K = 约 231F 第 5 层：最高温度 221K = 约 -80F 最低温度 36K = 约 -394F 工作温度：低于 50 K (-370 °F) 镀金：镀金厚度 = 100 x 10 -9米（1000 埃）。表面积= 25 m ²。室温下的金密度 (19.3 g/cm 3 )。涂层使用了 48.25g 的金，大约等于一个高尔夫球的质量。 观测装置 NIRCam 近红外照相机 NIRSpec 近红外摄谱仪，具有可编程微快门，可同时观察多达 100 个物体 MIR 中红外装置，冷却装置会将它冷却到7K。 FGS 精细导星传感器 NIRISS 近红外成像仪和无缝隙光谱仪 3 发射部署 詹姆斯·韦伯太空望远镜最终在位于法属圭亚那库鲁附近的欧洲航天港的阿丽亚娜航天公司的 ELA-3 发射场成功发射。用于发射的火箭为阿丽亚娜（Ariane） V 火箭。   阿丽亚娜 V型 ECA 火箭(Ariane V Evolved Cryogenic, model A)带有低温上级。它将以单次发射配置提供较长的有效载荷整流罩，最大静态直径 4.57 米，可用长度 16.19 米。 阿丽亚娜 V一级采用 Vulcain-2 氢氧发动机，推力1360KN。助推器采用MPS-SRM（Solid Rocket Motor）固推，平均推力5060KN，最大推力7080KN。起飞级将在T+7.3s 提供约13400KN的起飞推力。二级采用HM-7B液体发动机，推力67KN。 有效载荷适配器，包括 Cone 3936 和 ACU 2624 下圆柱体和夹箍，提供韦伯望远镜的天文台和运载火箭之间的分离机械和电气接口。为了将直径6.5m的韦伯望远镜装入火箭，需要把它折叠起来。 詹姆斯韦伯太空望远镜部署全过程模拟 詹姆斯韦伯太空望远镜发射过程 助推器分离后将会落在大西洋预定区域。随后，整流罩分离。一级分离后，上面级组合体将会滑翔一段时间，随后执行上面级点火操作。发动机工作过程中，组合体会进行滚转，以避免望远镜受到太阳光过多的炙烤，直到器箭分离后才会修正滚转。分离后太阳能板展开，推进和姿控系统工作。（为了保证镜片清洁，推进器仅安装在了望远镜入轨后面向太阳的一侧） 望远镜会在飞越月球前进行一次中段轨道修正，并打开地球指向天线，和地球建立联系通道。 首个部署的是遮光托盘，随后利用塔体分离望远镜镜体、有效载荷和遮光系统。为了平衡光压，韦伯望远镜在一端安装了一个尾部的平板，让光压力穿过质心，以减小对姿态的影响。 随后遮光薄膜进行一次释放，卷起保护膜，方便于后续的部署。核心部分的保护罩打开后，延展部分伸出，完全伸展并拉紧遮光罩。（这一步可谓关键，在无人监控的条件下自主拉紧厚度不足头发丝直径的薄膜，而薄膜是接下来任务的保障。在地面测试时，就曾经出现过薄膜撕裂的情况）。随后，副镜（次镜）和辐射散热器部署到位，辐射散热器将仪器产生的废热辐射进入太空，以避免对仪器工作产生干扰。 终于，主镜展开，部署。发射后29天执行一次轨道修正，使望远镜进入Halo轨道。部署完毕后，镜片进行方向校准和仪器检测，发射后160天左右开始正常运行。 4 运行轨道 詹姆斯·韦伯太空望远镜的运行轨道选择了距离地球150万公里的第二拉格朗日点。  该图不是按比例绘制 拉格朗日点解释：两大物体引力作用下，能够使小物体稳定的点。一个小物体在两个大物体的引力作用下在空间中的一点，在该点处，小物体相对于两大物体基本保持静止。这些点的存在由法国数学家拉格朗日于1772年推导证明的。在每个由两大天体构成的系统中，按推论有5个拉格朗日点。  L1比地球距太阳近，太阳的引力更大，按理应公转得更快，公转周期要短于一年。但现在是有一个地球，他对该点的物体也有引力，这样就“抵消”了太阳引力一部分，使得该点公转速度放慢，这样就可能与地球公转时间一样了。 L2点是日地延长线上，比地球距离太阳更远，太阳的引力对L2点就减弱，但由于有地球帮忙，引力增大了，公转速度就加快，也就有机会与地球一样公转时间一致了。 L3点也在日地连线上，距离太阳距离比地球轨道稍远，其原理与L2类似。这点离地球远，受到地球影响较小，所以轨道只是比地球稍远一点。 L4、L5与日地基本构成等边三角形，但这两点与日地不共线，平衡原理应有区别吧？！这也就是拉格朗日的伟大之处吧，能够将这两点找出来。有意思的是，L1、L2、L3的平衡是不稳定的，小物体一旦离开这个位置，就会一去不复返，但在L4、L5点平衡要稳定得多，离开这个位置，物体会在其附近震荡，不会跑开，在太阳—木星的这两点，聚集了大量的小行星，太阳—地球的这两点位置没有发现天体，但有灰尘聚集。  该图不是按比例绘制 詹姆斯·韦伯太空望远镜的工作主要是接收遥远太空的红外线，这对望远镜的工作温度要求很高，要绝对保持低温状态，L2点相对于其他几个点距离太阳更远，而且是背对着地球位置，更容易降温。 同时，韦伯望远镜的挡光板也会朝着太阳、地球和月亮，主要目的也是为了给望远镜降温。 5 主镜 要满足对深空观的观测要求，韦伯望远镜的主镜的直径有6.5米，如此巨大的望远镜如果采用哈勃望远镜的材料制作，其重量将远超过阿丽亚娜火箭的运载能力。  詹姆斯韦伯（左）和哈勃（右）大小比较  詹姆斯韦伯主镜（右）与哈勃主镜（左）大小比较 韦伯望远镜团队决定用既坚固又轻便的铍制成镜段。每个部分重约 20 公斤，单位面积质量仅为哈勃的十分之一。又由于纯铍的反射率不够理想，团队在镜面上镀了一层纯金。  为了能装入火箭，韦伯望远镜采用了折叠结构。18 个六边形镜片中的每一个直径为 1.32 米（4.3 英尺），副镜直径0.74米。 采用六边形镜片是因为六边形具有高填充系数和六重对称性。高填充系数意味着它容易无缝隙地拼接在一起，而六重对称性使18个镜片只需要存在3种不同的光学处理配置（每种各6个镜片）。整个主镜呈现大致的圆形，使光线能聚集在一点，而不是椭圆形的拉长或是正方形的中心光片。  主镜和副镜的移动依靠六个安装在每个镜片背面的驱动器，驱动器或微型机械马达保障了单一完美的对焦。主镜在其中心还有一个额外的驱动器，用于调整其曲率。望远镜的三级镜保持静止。为了将主镜段对齐，形成一个单一的大镜子，每个镜子都对齐到人类头发厚度的 1/10,000。更令人惊奇的是研究韦伯望远镜的工程师和科学家不得不发明如何做到这一点。  光学望远镜模块（OTE）是“韦伯”的主要结构之一，由望远镜的主镜、次镜、三级反射镜、精细转向镜、望远镜框架及其控制装置等结构组成。OTE好比整个“韦伯”的眼睛，其原理是三镜消像散望远镜：光线首先由主镜汇聚并反射给次镜，次镜进一步将光线传递给处于望远镜中心的三级反射镜，而后经过精细转向镜传递给综合科学仪器模块进行光线的接收与处理。  望远镜进入轨道后，地球上的工程师将需要对韦伯望远镜主镜段的定位进行修正，使它们对齐——确保它们能产生清晰、聚焦的图像。这些校正的过程称为波前传感和控制。该过程将镜子对准在几十纳米以内。在此过程中，波前传感器（在本例中为NIRCam）会测量反射镜段对齐中的所有缺陷，（这些缺陷会阻止它们像一个6.5 米的整体一样工作）工程师将使用 NIRCam 拍摄 18 张散焦的恒星图像，每个镜面各一张。然后工程师使用计算机算法从这些单独的图像中确定主镜的整体形状，并确定他们必须如何移动镜子以对齐它们。 6 意义 宇宙诞生之初，随着各种原子粒子冷却下来，氢原子开始聚集，大约15亿年后，第一颗明亮的恒星诞生了。它的光穿过广袤无垠的135亿光年空间，最终到达目的地，人造探测器詹姆斯·韦伯望远镜上。由于人类的好奇心，更精彩的太空之旅即将开始。詹姆斯·韦伯望远镜能让我们第一次详细了解“婴儿期”的宇宙。  迄今为止，尚无法获得早期星系的直接影像。原因很简单：它们距地球太过遥远，如果没有一架巨型望远镜，我们无法捕获它们的光线，也就无缘得见它们的真面目。由于距离太远再加上宇宙一直处于膨胀状态，首批星系的光线不再是可见光，而是红移到红外光谱。如果想对这些婴儿星系进行观测，我们需要一架大型红外望远镜。这也就是为什么科学家要研制詹姆斯·韦伯望远镜。 韦伯望远镜并不是一台测量仪器，不会对大到不可思议的宇宙区域进行测绘。不过，这架望远镜能够为我们描绘130亿年前的宇宙肖像，尤其是那些遥远的早期星系的长相。星系的结构和构成取决于暗物质。无论是暗物质的数量、构成还是聚集方式，都会影响星系的形成。暗物质的特性影响星系的数量、亮度，甚至会影响星系会孕育出怎样的恒星。 韦伯是哈勃的科学继承者，哈勃望远镜的观测结果驱动了韦伯望远镜项目的进行，他们共同承载了人类对宇宙星辰探索的愿望，代表着人类最遥远的好奇心。  |
