 詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的18节金镜使它能够看到40公里外的一分钱，或550公里外的一个足球。 "建造一些绝对的、积极的工作"。这是美国宇航局对设计和建造詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的要求。这个太空望远镜6.5米宽，是历史上最大的太空望远镜。去年12月，JWST成功地发射到月球以外的观测站。而现在根据NASA的消息，最快在下周，JWST将最终开始发布科学图像和数据。 JWST产品完整性团队的马克·卡汉（Mark Kahan）回忆说，美国宇航局的工程挑战是对全球数千人团队的呼唤，他们着手创建人类历史上最雄心勃勃的科学仪器之一。卡汉（Mark Kahan）是总部位于加州山景城的Synopsys公司的首席电子光学系统工程师，以及JWST的 "维修组"（他称之为团队）中的许多人从三十年前吸取了惨痛的教训，他们曾帮助修复过另一台因光学系统缺陷而衰弱的世界级空间望远镜。当然，哈勃太空望远镜是在 而JWST望远镜（詹姆斯·韦伯太空望远镜）则不是这样。 美国宇航局要求JWST望远镜的设计者一丝不苟，这对于该望远镜的维护非常有必要，因为JWST望远镜远在维修人员的视野之外。它的任务是研究红外线宇宙，而这需要将望远镜及其传感器从太阳光的热量和地球的红外线光芒中屏蔽出来。做到这一点的最佳地点是停在地月系统中少数几个可靠稳定的轨道之一。选中的最佳地点在物理学家称之为第二拉格朗日点或L2的地方，150万公里外（远远超出月球轨道）的行星际空间的大部分空地。 卡汉（Mark Kahan）说："维修人员的工作是在细节层面上，对光学设计的每一个关键方面进行错误检查。从哈勃的经验中，工作人员坚持对韦伯光学系统的每一次测量都要以至少两种不同的方式进行检查和交叉检查。卡汉（Mark Kahan）说，诊断程序被纳入了这个过程，以便 "你可以看看它们，看看该怎么推动 "来解决任何差异。"卡汉他们的工作必须在地面上完成，但他们的测试必须评估望远镜在深空低温下如何工作。 主镜的三项新技术 从表面上看，JWST望远镜遵循所有大型反射式望远镜的设计。一个大镜子收集来自恒星、星系、星云、行星、彗星和其他天文物体的光，然后将这些光子聚焦到一个较小的副镜上，然后最终将光引导到记录图像和光谱的仪器上。 JWST望远镜的6. 5米主镜是第一个被发射到太空的分段镜。所有的光学器件都必须在地面上以室温制造，但在太空中部署，并在绝对零度以上30至55度（绝对零度：也称为0开尔文）的条件下运行。美国宇航局戈达德太空飞行中心的李·费恩伯格（Lee D. Feinberg）说，"我们必须开发三种新技术 "来使其发挥作用，他在过去20年里一直是韦伯的光学望远镜部件经理。 哈勃太空望远镜需要应对的最长波长是2.5微米，而JWST望远镜是为了观测波长延伸到28微米的红外光而建造的。与哈勃太空望远镜相比，其主镜是一个面积为4.5平方米的圆，" JWST望远镜的主镜必须是25平方米，"费恩伯格说。他补充道：" JWST望远镜还 "需要轻质的分段镜，其质量是一个巨大的考虑因素。没有一个能够提供所需分辨率的单一组件的镜子会适合发射JWST望远镜的阿丽亚娜5号火箭。这意味着镜子必须分块制造，组装，折叠，固定以承受发射的压力，然后展开并部署在太空中，以创造一个与设计者指定的形状相差几十纳米的表面。  詹姆斯·韦伯太空望远镜[左]和哈勃太空望远镜[右]并列，哈勃的2.4米直径的镜子和韦伯的六边形镜子阵列组成的6.5米直径的光收集区。 美国国家航空航天局和美国空军在用于监视和聚焦激光能量的大型轻质太空镜方面有自己的兴趣，他们合作开发了这项技术。这两个机构将提交的八份提案缩小到两种方法来建造JWST望远镜的反射镜：一种是基于硅和二氧化钛混合物制成的低膨胀玻璃，类似于哈勃使用的玻璃，另一种是轻型但剧毒的金属铍。最关键的问题是这些材料能在多大程度上承受从地面室温到太空中约50K的温度变化。 在众多对比评估中铍胜出，因为它可以在冷却后充分释放应力而不改变其形状，而且它不容易受到玻璃中可能出现的裂纹的影响。最终的铍镜是一个6.5米的阵列，由18个六边形铍镜组成，每个镜子重约20公斤。JWST望远镜的镜子的单位面积重量只有哈勃望远镜的10%。一层100纳米的纯金使其表面对JWST望远镜的0.6至28.5微米的主要观测波段的入射光有98%的反射。纯银的反射率比纯金略高，但 此外，一个波前感应控制系统使镜段表面对准到几十纳米以内。该系统建在地面上，预计将在整个望远镜的运行寿命中保持镜面对准的稳定。一个保持在35K温度下的背板将所有2.4吨的望远镜和仪器稳定在32纳米以内，同时在观测期间将它们保持在低温状态。  即使在执行仪器校准任务时，JWST也忍不住展示了其对红外天空的惊人敏感性。中央的星星是望远镜技术人员用来校准JWST的镜子的。但是，请注意，远处的星系和恒星也拍到了这幅图像! 哈勃惊人的、长时间曝光的遥远星系图像是通过每秒320转的陀螺仪轮子实现的；这些轮子是万向轮的一部分，当望远镜盯着天空中的目标时，它们会瞄准并保持稳定。然而，这些万向轮必须移动整个太空观测站，但是这就会磨损陀螺仪，这些陀螺仪已经被反复更换。今天，哈勃的六个陀螺仪中只有三个仍在运行，美国宇航局已经设计了在降低能力的情况下用一个或两个陀螺仪运行的计划。当哈勃需要移动望远镜以观察天空的不同部分时，它将使用反作用力轮。 JWST望远镜也使用反作用力轮在天空中转动，但是它没有使用机械陀螺仪来感知方向，而是使用没有移动部件的光学陀螺仪。与其让万向轮移动整个望远镜进行精细跟踪以保持恒星的稳定，JWST望远镜在光路中倾斜一个小型的精细转向镜，角度仅为5秒。这些对进入仪器的光路的非常精细的调整使望远镜保持在目标上。费恩伯格说："这是一个非常好的方法，它可以补偿少量的抖动，而不需要移动整个6吨重的观测站。" 仪器 其他光学器件将来自微调镜的光线分配给四个仪器，其中两个可以同时观测。三台仪器的传感器可以观测0.6到5微米的波长，天文学家称之为近红外线。第四台被称为中红外仪器（MIRI），观察天文学家所说的中红外光谱，从5到28. 5μm。由于传感器和光学器件的波长范围有限，所以需要不同的仪器。光学工程师可能会对天文学家对近红外和中红外波长范围的定义略感吃惊。这两组人只是对红外光谱的各个区间有不同的标签习惯。 山顶望远镜可以看到近红外，但是观察中红外天空需要太空中的望远镜。然而，来自地球及其大气层的热辐射会遮蔽他们的视线，而望远镜本身也会被遮蔽，除非它们被冷却到远低于室温。充足的液态氦供应和远离地球的轨道使得斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope：SST）的主要观测任务持续了五年，但是一旦最后的低温液体在2009年蒸发，它的观测就被限制在波长短于5微米的范围内。 JWST望远镜有一个精心设计的太阳罩来阻挡阳光，还有一个距离地球150万公里的轨道，可以使望远镜保持在55K以下，但这对于波长超过5微米的低噪声观测来说是不够的。近红外仪器的工作温度为40K，以尽量减少热噪声。但是对于28.5微米的观测，MIRI（中红外仪器）使用一个专门开发的封闭循环氦气低温冷却器，使MIRI（中红外仪器）冷却到7K以下。当光学或电信号非常微弱，以至于每个光子或电子都构成一个可探测的峰值时，就会发出噪声。这将使MIRI在中红外的灵敏度是Spitzer的1000倍。 "另一个挑战是中红外的光学材料的透明度有限。"格雷思说："我们尽可能地使用反射式光学材料，但他补充说，这些材料也带来了问题。热收缩是个大问题，"因为该仪器是在室温下制造的，但在7K下使用。为了保持整个MIRI（中红外仪器）的热变化均匀，他们用涂金的铝做了整个结构，以免其他金属造成扭曲。" 检测器是另一个问题。JWST望远镜的近红外传感器使用碲化镉汞光电探测器，分辨率为2048 x 2048像素。这种分辨率在5微米以下的波长中被广泛使用，但是在MIRI（中红外仪器）的较长波长中传感需要外来的探测器，这些探测器只能提供1024 x 1024像素。 格雷思说调试工作 "进行得非常顺利"。尽管已经检测到了一些杂散光，但他说，"我们完全有望实现我们所有的科学目标"。 近红外相机（NIRcam）对准整个望远镜 用于波长短于5微米的观测的近红外探测器和光学材料比用于中红外的要成熟得多，因此近红外相机（NIRcam）既要记录图像，又要对准整个望远镜的所有光学器件，从而承担双重任务。这种对准是建造该仪器最棘手的部分。 对准意味着让主镜收集的所有光线到达最终图像中的正确位置。这对JWST望远镜来说至关重要，因为它有18个独立的部分，必须在最终图像中完美地叠加它们的图像，而且所有这些部分都是在地面上以室温建造的，但在太空中以零重力的低温运行。当美国宇航局在JWST望远镜首次打开其主镜后记录下一颗恒星的测试图像时，它显示了18个独立的亮点，每个部分都有一个。当3月11日完成对准时，来自NIRcam的图像显示出一颗恒星有六个由衍射引起的尖峰。  建立一个单独的对准系统会增加JWST望远镜的重量和成本，在最初的1995年望远镜计划中，大家建议设计NIRcam，这样它就可以在太空中对准望远镜的光学元件，并记录图像。唯一真正的设计妥协是，它要求NIRcam有精致的图像质量，从科学的角度来看，用仪器来对准望远镜的光学器件 是很好的，因为这将会有很好的图像质量，而且它将会与设计的要求对准。对于其他仪器来说，对准可能只是一丁点偏差。最后，洛克希德·马丁公司的一个团队开发了计算工具，以考虑到热膨胀的所有因素。 不断攀升的成本和延误多年来一直困扰着JWST望远镜。但对费恩伯格来说，"调试经历一个神奇的五个月"。它始于阳光照射到镜子上的景象。分段式反射镜顺利展开，在近红外摄像机冷却后，反射镜将一颗恒星聚焦成18个光点，然后对准它们，将光点放在彼此的上面。所有的东西都必须工作，才能让JWST望远镜聚焦得那么好。这是一段紧张的时间，但对于参加过哈勃维修任务的老手费恩伯格来说，调试JWST望远镜是 "轻而易举"。 美国宇航局宣布，在5月23日和25日之间，主镜的一个部分被一个微陨石触碰了一下，比该机构在分析这种撞击的潜在结果时预期的要大。"费恩伯格说："事情确实会随着时间的推移而变质。但他补充说，JWST望远镜的设计是为了最大限度地减少损害，美国宇航局说，这一事件没有影响JWST望远镜的运行计划。 |
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