在过去的 31 年里,哈勃太空望远镜一直是天文学家的一个非常有价值的多功能观测平台,但它已经开始显示其年龄晚了。上一次维修是在 2009 年,该望远镜在过去几年中不得不多次进入部分关闭的“安全模式”——最近一次是在今年 10 月。虽然乐观的估计表明哈勃可能会一直运行到 10 年末,但美国宇航局及其欧空局和 CSA 合作伙伴已经花了十几年时间开发继任者詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)。当韦伯发射时——目前定于圣诞节升空——它将在未来几十年成为人类在天空中的卓越之眼。

詹姆斯韦伯太空望远镜 Webb Space Telescope

7.2 吨的 JWST 将成为 NASA 有史以来送入轨道的最大望远镜。它的 6.5 米主镜阵列 – 由 18 个镀金六边形部分组成 – 是哈勃望远镜的两倍多,面积是斯皮策望远镜的近 60 倍,后者于 2020 年退役。它用来保护的遮阳罩其精致的红外传感器几乎有一个网球场那么长,整个望远镜设备有三层楼高。每天收集的 458 Gb 数据将首先通过 NASA 的深空网络传送,然后传输到位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所,该研究所将整理这些信息并将其传播给更大的天文学界。

当它到达距离地球 930,000 英里的 L2 拉格朗日点的轨道家园时,JWST 将开始它的四点任务:寻找最早的后大爆炸恒星发出的光;研究星系的形成和发展,研究恒星和行星系统的演化;并寻找生命的起源。

为此,韦伯将采取与之前的哈勃不同的方法。哈勃望远镜在可见光和紫外光谱中观察宇宙,而 JWST 将在红外线中观察,就像斯皮策过去那样,但分辨率和清晰度要高得多。使用这种红外线对韦伯的任务至关重要,因为该波长可以穿透星际气体和尘埃云,看到远处被遮挡的物体。

Webb 的相机套件由四个独立组件组成:中红外仪器 (MIRI)、近红外相机 (NIRCam)、近红外光谱仪 (NIRSpec) 以及近红外成像仪和无缝隙光谱仪/精细制导传感器(NIRISS/FGS)。这些仪器实际上非常敏感,以至于它们在运行时可以检测到自身的热辐射。为了最大限度地减少这些红外辐射,三个传感器被冷却到负 388 华氏度(-233 摄氏度)。特别敏感的 MIRI 被进一步冷却到 -448 华氏度(-266 摄氏度)——这仅比绝对零度高 7 开氏度。

获得那么冷的 MIRI 绝非易事。在 JWST 进入轨道后,望远镜将花费数周时间使用氦基制冷系统将传感器缓慢冷却至最佳工作温度。

“在地球上将物体冷却到那个温度相对容易,通常用于科学或工业应用,”喷气推进实验室低温冷却器专家 Konstantin Penanen 在最近的 NASA 博客文章中说。“但那些基于地球的系统非常庞大且能源效率低下。对于太空天文台,我们需要一个物理上紧凑、高能效的冷却器,而且它必须非常可靠,因为我们不能出去修理它。所以这些就是我们面临的挑战,在这方面,我想说 MIRI 低温冷却器肯定处于最前沿。”

MIRI 需要的额外努力将非常值得作为地面红外望远镜——尤其是那些在中红外光谱内工作的 MIRI,在很大程度上受到设备本身和周围大气的热量排放的阻碍。

“使用其他三台仪器,韦伯可以观察到长达 5 微米的波长。使用 MIRI 将波长增加到 28.5 微米确实扩大了其科学范围,”亚利桑那大学天文学教授 George Rieke 本月早些时候在 NASA 博客中表示。“这包括研究原恒星及其周围的原行星盘、系外行星的能量平衡、演化恒星的质量损失、活动星系核中央黑洞周围的环核等等。”

鉴于 JWST 高度特殊的低温需求,使望远镜的传感器套件远离阳光直射(并阻挡月球和地球等其他光源)至关重要。为确保这些相机永远处于遮阳状态,美国宇航局的工程师们建造了一个由镀铝的 Kapton 薄膜制成的五层遮阳板,以保持它们在寒冷、寒冷的黑暗中。

戈达德太空飞行中心的 JWST 遮阳板经理 James Cooper 说:“形状和设计还可以将热量从侧面、周边、层间散发出去。” “航天器总线在‘核心’或中心产生的热量被强制排出薄膜层之间,因此它无法加热光学器件。”

风筝形遮阳罩的尺寸为 69.5 英尺 x 46.5 英尺 x 0.001 英寸,堆叠了五层高,这样顶层吸收的能量就会辐射到它们之间的空间中,使每一层都比上面的层稍冷。事实上,最外层(383K,或 230 华氏度)和最内层(36K,约 -394 华氏度)的温差大致是一个数量级。

为了收集足够的光线来观察最清晰、最遥远的恒星——有些甚至远在 130 亿光年之外——JWST 将依靠其巨大的 6.5m 主镜阵列。与使用单个 2.4 米宽镜子的哈勃望远镜不同,韦伯的镜子分为 18 个单独的部分,由于其铍结构,每个部分仅重 46 磅。它们涂有金色以增强对红外光的反射,并且形状呈六角形,因此,当完全组装在轨道上时,它们会紧密贴合在一起,作为一个单一的、对称的、无间隙的反射平面。它们的小尺寸还使它们可以轻松地分开和折叠,以适应它们将进入轨道的阿丽亚娜 5 号火箭的狭窄范围。

协调这些部分以聚焦在遥远星系中的单个点的作用落在了镜子的执行器组件上。七个小电机位于每个镜子部分的背面(每个角落一个,中间第七个),可以精确控制它们的方向和曲率。韦伯光学望远镜元件经理 Lee Feinberg 说: “将主镜段对齐,就好像它们是单个大镜子一样,这意味着每个镜子都对齐到人类头发厚度的 1/10,000 。”

经过 20 多年的开发和延迟,耗资 100 亿美元并涉及 10,000 多人的努力,韦伯望远镜终于准备好发射了——希望这一次真的需要。该计划已经看到延迟,延迟,延迟其启动时间表。在最初的 COVID-19 爆发及其相关的封锁之后,美国宇航局放弃了 2021 年 3 月的最初日期——不过,公平地说,2020 年 1 月的 GAO 只给了 JWST 12% 的机会在今年年底——并为其发布设定了一个模糊的“2021 年某个时候”时间表。

美国宇航局后来将该估计修正为“2021 年 10 月的某个时候”,最终确定了万圣节发射窗口,但又将其推迟到 11 月底/12 月初。当然,12 月初很快就变成了 12 月底,特别是 22 日,然后又被推回到了现在的 12 月 24 日。实际上,将其设为 25 日。

这些延迟是由多种因素造成的,这些因素导致这种尺寸和灵敏度的仪器准备发射。建造完成后,JWST 必须经过一系列详尽的测试,然后被轻轻装入一个集装箱并运送到位于法属圭亚那库鲁的发射场。到达那里后,准备、加油和将 JWST 装载到阿丽亚娜 5 号火箭上的实际任务又花了 55 天。

根据美国宇航局的说法,由于 11 月 9 日发生的“事件”,该时间表进一步延长,其中“将韦伯固定在运载火箭适配器上的夹带突然意外释放,导致整个天文台发生振动”。在韦伯的异常审查委员会发起另一轮测试,以确保这些振动没有损害其他组件或敲对准的任何重要的东西出来。

现在望远镜被认为是 A-OK,正在进行最后的准备工作。除非再有挫折,JWST 将在圣诞节那天 7:20 ET 发射(在这里观看直播!)开始它为期 30 天、150 万公里长的拉格朗日 2 之旅,在那里它将用两周的时间慢慢展开它的镜子和遮阳板,然后开始探索早期宇宙的深处。

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