宇宙机器内部:韦伯太空望远镜的惊人视野

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“构建的东西这绝对会起作用。”这是NASA设计和建造詹姆斯·韦伯太空望远镜的任务——6.5米宽，是历史上最大的太空望远镜。去年12月,JWST的推出非常成功到观测站在月球之外．现在根据美国宇航局的消息，最快下周，JWST就会出现开始释放科学图像和数据。

JWST产品完整性团队的马克·卡汉(Mark Kahan)回忆起NASA的工程挑战，认为这是一个由数千人组成的全球团队的战斗号令，他们开始创造人类历史上最雄心勃勃的科学仪器之一。kahan是位于加州山景城的synopsys公司的首席光电系统工程师，他和JWST“维修站”的许多其他成员(他称团队为维修站)从30年前的经历中吸取了惨痛的教训，他们帮助修复了另一个具有光学缺陷的世界级太空望远镜。当然，哈勃太空望远镜是在近地轨道上，所以一项特殊的航天飞机任务是安装矫正光学装置(就像1993年那样)是完全可能的。

但JWST却不是这样。

NASA对JWST的设计者们要求的无微不至的照顾是非常必要的，因为韦伯离维修人员很远。它的任务是研究红外线宇宙，这就要求望远镜及其传感器不受阳光的热量和地球的红外辉光的影响。亚博排列五投注网站一个离地球不太远的好地方是150万公里外(远远超出月球轨道)的星际空间，物理学家称之为月球轨道第二个拉格朗日点，或者L2．

维修站工作人员的工作是“深入到细节层面，检查光学设计的每个关键方面的错误，”Kahan说。在从哈勃望远镜那里吸取教训后，工作人员坚持认为，在韦伯望远镜上进行的每一次测量都至少要以两种不同的方式进行，并且可以进行反复检查。卡汉说，流程中内置了诊断程序，这样“你就可以查看它们，找出解决任何差异的方法”。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的工作情况。

主镜三种新技术

从表面上看，韦伯望远镜遵循了所有大型反射望远镜的设计。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，再将其发送到第三面镜子上，最后将光引导到记录图像和光谱的仪器上。

韦伯的6.5米主镜是第一个被发射到太空的分割镜。所有的光学器件都必须在地面上的室温下制造，但都部署在太空中，并在绝对零度以上30至55度的环境下工作。“我们必须开发三种新技术”才能让它发挥作用，他说李·d·范伯格在过去的20年里，他一直是韦伯望远镜的光学望远镜部件经理。

哈勃望远镜要处理的最长波长是2.5微米，然而韦伯是用来观察的波长可达28 μm的红外线。与哈勃相比韦伯的主镜是一个4.5平方米的圆形，“(韦伯的主镜)必须是25平方米，”范伯格说。他补充说，Webb还“需要轻质的分割镜，它的质量是一个很大的考虑因素。”发射JWST的阿丽亚娜5号火箭上没有能够提供所需分辨率的单组件反射镜。这意味着这面镜子必须被分成几块，组装、折叠、固定以承受发射的压力，然后展开并在太空中展开，以创造一个与设计师指定的形状在几十纳米以内的表面。

詹姆斯·韦伯太空望远镜[左]和哈勃太空望远镜并排——哈勃的2.4米直径的镜子和韦伯的六角形镜子阵列形成了6.5米直径的集光区。美国宇航局戈达德太空飞行中心

NASA和美国空军也对用于监视和聚焦激光能量的大型轻型太空镜感兴趣他们联手开发了这项技术。这两个机构将八份提交的提案缩小到两种建造JWST镜子的方法:一种是基于低膨胀玻璃制成的硅和二氧化钛的混合物类似于哈勃望远镜和另一种轻但剧毒的金属铍。最关键的问题在于，这些材料能够承受从地面室温到太空中约50 K的温度变化。铍胜出是因为它可以在冷却后完全释放压力而不改变形状，而且不容易像玻璃那样容易开裂。最后的铍镜是一个6.5米长的阵列，由18个六角形铍镜组成，每个重约20公斤。JWST的反射镜单位面积重量仅为哈勃的10%．100纳米的纯金层使其表面能反射98%来自JWST主要观测波段0.6至28.5 μm的入射光。“纯银的反射率比纯金稍高，但黄金的反射率更强，”范伯格说。一层薄薄的无定形二氧化硅保护金属薄膜免受表面损伤。

此外，采用波前感知控制系统保持镜段表面精确到几十纳米．该系统建在地面上，预计将在望远镜的整个使用寿命内保持镜面对准稳定。一个底板在35 K的温度下，可以将2.4吨重的望远镜和仪器稳定在32纳米以内，同时在观测过程中保持低温。

JWST的背板，作为支撑整个六角形反射镜结构的“脊柱”，携带了超过2400公斤的硬件，已经准备好组装到望远镜的其余部分。美国国家航空航天局/克里斯·甘恩

通过使用陀螺仪和反作用轮，哈勃望远镜可以拍摄遥远星系的长时间曝光的惊人图像。陀螺仪用于感知不必要的旋转，反作用轮用于抵消这些旋转。

但是哈勃望远镜上使用的陀螺仪记录不佳，不得不反复更换。哈勃望远镜的6个陀螺仪中只有3个仍在运行，美国宇航局已经设计了一个或两个陀螺仪在降低能力的情况下运行的计划。哈勃望远镜还包括反作用轮和磁力矩器，在需要时用来保持它的方向或指向天空的不同部分。

韦伯用类似的反作用轮在天空中旋转，但不是用机械陀螺仪来感知方向，它使用半球形谐振陀螺仪，没有活动部件。韦伯还在光路中安装了一个小型的精细转向镜，它可以倾斜5角秒的角度。这些对射入仪器的光路的精确调整使望远镜保持在目标上。范伯格说:“这真是一种奇妙的方式。”他补充说，它可以补偿少量的抖动，而不必移动整个6吨重的天文台。

仪器

其他光学系统将来自精细转向镜的光分布在四个仪器之间，其中两个仪器可以同时观测。三种仪器的传感器可以观测波长为0.6到5 μm亚博排列五投注网站的波长，天文学家称之为近红外。第四个被称为中红外仪器(MIRI)，观测天文学家所说的中红外光谱，范围从5到28.5 μm。由于传感器和光学器件的波长范围有限，因此需要不同的仪器。亚博排列五投注网站(对于天文学家对近红外和中红外波长范围的定义，光学工程师们可能会略感困惑。这两组人只是对红外光谱的不同区域有不同的标记习惯。)

中红外波长对观测至关重要年轻恒星和行星系而且最早的星系但它们也构成了一些最大的工程挑战。也就是说，地球和木星以外的行星上的一切都在中红外波段发光。因此，为了让JWST观测遥远的天体，它必须避免记录来自太阳系内各种来源的无关的中红外噪声。“我的整个职业生涯都在制造波长为5 μm或更长的仪器，”MIRI仪器科学家阿利斯泰尔·格拉斯说爱丁堡的皇家天文台．“我们一直在与热背景作斗争。”

山顶望远镜可以看到近红外，但观测中红外天空需要太空望远镜。然而，来自地球及其大气层的热辐射会使他们的视野变得模糊，望远镜本身也是如此，除非它们被冷却到远低于室温。充足的液氦供应和远离地球的轨道允许斯皮策太空望远镜的主要观测任务即将结束五年来，直到2009年最后一个低温流体蒸发，它的观测仅限于波长小于5 μm的波长。

韦伯有一个精心设计的太阳防护罩来阻挡阳光，在距离地球150万公里的轨道上，望远镜可以保持在55k以下，但这还不足以进行波长大于5 μm的低噪声观测。近红外仪器工作在40 K以尽量减少热噪声。但是对于28.5 μm的观测，MIRI使用了一个专门开发的闭式循环氦低温冷却器，使MIRI冷却到7 K以下。“我们希望灵敏度受到散粒噪声格拉斯说。（当光学信号或电信号非常微弱，以至于每个光子或电子都构成一个可探测的峰值时，就会发生脉冲噪声。)这将使MIRI的中红外灵敏度达到斯皮策望远镜的1000倍。

另一个挑战是光学材料在中红外波段的透明度有限。“我们尽可能地使用反射光学，”格拉斯说，但它们也会带来问题，他补充道。“热收缩是一个大问题，”他说，因为仪器是在室温下制造的，但在7 K下使用。为了在整个MIRI中保持均匀的热变化，他们将整个结构制成了镀金铝，以免其他金属引起翘曲。

探测器是另一个问题。韦伯的近红外传感器使用碲化汞镉光电探测器，亚博排列五投注网站分辨率为2048 x 2048像素。这种分辨率广泛应用于5 μm以下的波长，但在MIRI需要更长的波长奇特的探测器仅限于提供1,024 x 1,024像素。

格拉斯说，委托工作“进行得非常顺利。”他说，尽管已经检测到一些杂散光，“我们完全希望达到我们所有的科学目标。”

NIRCam对准整个望远镜

用于观测波长小于5 μm的近红外探测器和光学材料比用于观测中红外的探测器和光学材料要成熟得多，因此近红外相机(NIRCam)既可以记录图像，又可以对准整个望远镜的所有光学器件。NIRCam的首席研究员说，这种校准是建造仪器最棘手的部分玛西娅里克亚利桑那大学的教授。

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。这对韦伯来说至关重要，因为它有18个独立的部分，它们必须在最终的图像中完美地覆盖它们的图像，而且所有这些部分都是在室温下的地面上建造的，但在失重的太空中在低温下运行。当韦伯首次打开主镜后，美国宇航局记录了一颗恒星的测试图像，它显示了18个独立的亮点，每个部分一个。当校准在3月11日完成时，NIRcam的图像显示了一颗由衍射引起的带有六个尖峰的单星。

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灵敏度。望远镜技术人员用中心恒星来对准JWST的镜子。但请注意，遥远的星系和恒星也破坏了这张照片!美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所

Rieke意识到，建立一个单独的对准系统将增加韦伯望远镜的重量和成本，在1995年最初的望远镜计划中，她建议设计NIRCam，这样它可以在太空中对准望远镜的光学系统，并记录图像。“唯一真正的妥协是它要求NIRCam具有精美的图像质量，”Rieke挖苦地说。她补充说，从科学的角度来看，使用该仪器来对齐望远镜的光学“非常棒，因为你知道你将获得良好的图像质量，它将与你对齐。”其他仪器的校准可能会有一点偏差。最后，洛克希德·马丁公司的一个团队开发了计算工具来解释热膨胀的所有因素。

多年来，不断增加的成本和延误一直困扰着韦布。但对范伯格来说，“委托工作是神奇的五个月。”事情开始于看到阳光照在镜子上。分段反射镜顺利展开，近红外摄像机冷却后，反射镜将一颗恒星聚焦成18个点，然后将它们对齐，使这些点相互重叠。他说:“一切都必须努力让它(聚焦)得那么好。”这是一段紧张的时间，但对于哈勃维修任务的老兵范伯格来说，让韦伯服役是“小菜一碟”。

美国宇航局宣布，在5月23日至25日期间，主镜的一部分被一颗比该机构预期更大的微陨石击中当它分析这些影响的潜在结果时。范伯格说:“随着时间的推移，事情确实会恶化。”但他补充说，韦伯的设计是为了将损害降到最低美国宇航局表示，这一事件没有影响韦伯的运行计划。

2022年7月26日至28日更正:故事更新了a)反映了这样一个事实，即韦伯现在所绕的拉格朗日点L2不是“地月系统”的拉格朗日点(正如故事最初报道的那样)。而是地球-太阳系统
b)纠正原始帖子中关于Webb控制方向的硬件的错误陈述。

2022年8月12日更正:Alistair glass的名字在这个故事的前一个版本中拼写错误，NIRCam(我们拼成了NIRCam)也是如此;韦伯的三级反射镜(我们最初只报道了它的主反射镜和次反射镜)也在这个版本中被调用。

本文以“宇宙机器内部”为题发表在2022年9月的印刷版上。