詹姆斯·韦伯空间望远镜
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 完全展开的韦伯望远镜想象图  詹姆斯·韦伯空间望远镜18面镜子中的6面正在进行温度浸渍测试 | |
| 任务类型 | 天文学 |
|---|---|
| 运营方 | STScI (NASA)[1] |
| 国际卫星标识符 | 2021-130A |
| 卫星目录序号 | 50463[2] |
| 网站 | 官方网站 |
| 任务时长 |
|
| 航天器属性 | |
| 制造方 | 诺斯洛普·格拉曼 巴尔太空科技 |
| 发射质量 | 6,500千克（14,300磅）[3] |
| 尺寸 | 20.197米 × 14.162米（66.26英尺 × 46.46英尺）（遮光罩） |
| 功率 | 2,000瓦 |
| 任务开始 | |
| 发射日期 | 2021年12月25日7:20(UTC−5；EST)[4] |
| 运载火箭 | 阿丽亚娜5号运载火箭ECA |
| 发射场 | Kourou ELA-3 |
| 承包方 | 阿丽亚娜空间 |
| 轨道参数 | |
| 参照系 | 太阳与地球间L2点 |
| 轨域 | 晕轮轨道 |
| 近地点 | 250,000 km（160,000 mi）[5] |
| 远地点 | 832,000 km（517,000 mi） |
| 周期 | 6个月 |
| 主镜 | |
| 类型 | 柯尔施望远镜 |
| 口径 | 6.5米（21英尺） |
| 焦距 | 131.4米（431英尺） |
| 焦比 | f/20.2 |
| 观测范围 | 25.4 m2（273 sq ft）[6] |
| 波长 | 0.6微米（橘色） 至28.3微米（中红外线） |
| 转发器 | |
| 频带 | S波段（TT&C支援） Ka波段（资料取得） |
| 带宽 | S波段上行：16 kbit/s S波段下行：40 kbit/s Ka波段下行：最高28 Mbit/s |
 詹姆斯·韦伯空间望远镜标志 | |
| “James Webb Space Telescope”的各地常用译名 | |
|---|---|
| 中国大陆 | 詹姆斯·韦布空间望远镜（官方）[7] 詹姆斯·韦伯空间望远镜[注 1] |
| 台湾 | 詹姆斯·韦伯太空望远镜 |
| 香港 | 占士·韦伯太空望远镜 |
詹姆斯·韦伯空间望远镜（英语：James Webb Space Telescope，简称JWST，中国大陆官方译名为詹姆斯·韦布空间望远镜）是已发射的红外线空间天文台，原计划耗费5亿美元并于2007年发射升空[8]。但由于各种原因，导致项目严重超支，发射时间数次推迟，最新预估总耗费高达100亿美元，发射时间为美国东部时间2021年12月25日7时20分[9]。2019年8月28日NASA表示该望远镜首次组装完毕[10]。它是欧洲空间局，加拿大航天局和美国国家航空航天局的共用计划。这是哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜的后继计划。它旨在提供比哈勃空间望远镜更高的红外分辨率和灵敏度，可探测仅为哈勃望远镜探测到的最微弱物体的亮度百分之一的物体[11]。 这将使天文学和宇宙学领域的广泛研究成为可能，例如对宇宙中一些最古老和最遥远的物体和事件（包括第一颗恒星和形成的第一个星系）进行高达 z≈20[11]的红移观测，以及潜在适居住太阳系外行星的详细大气特征。
它拥有一个总直径6.5米（21 英尺），被分割成18面镜片的主镜，放置于太阳─地球的第二拉格朗日点。这意味着其将在地球-太阳连线上地球背后的150万公里处绕L2以晕轮轨道运行，而非像哈勃空间望远镜那样绕近地轨道公转。一个由涂有硅和铝的聚酰亚胺薄膜(杜邦Kapton)制成的五层大型遮阳板将保持它的镜片和四个科学仪器温度低于50 K（−220 °C；−370 °F）。
此项目曾经称为“下一代空间望远镜”（Next Generation Space Telescope），2002年以美国国家航空航天局第二任局长詹姆斯·韦伯的名字命名。1961年至1968年詹姆斯·韦伯担任局长期间曾领导阿波罗计划等一系列美国重要的太空探测项目。
位于马里兰州的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心(GSFC) 负责开发，望远镜的地面控制和协调机构是位于约翰霍普金斯大学的空间天文台科学研究所（STScI）[12]。主要承包商是诺斯洛普·格鲁门公司（Northrop Grumman）[13]。
美西时间2021年12月25日上午7:21分，在法属圭亚那的欧洲空间局库鲁基地，负责运送的阿丽亚娜5号火箭顺利升空。[14]送入太空后，韦伯空间天文台将要航行约一个月，进入预定轨道，距离地球估计至少150万公里，在拉格朗日L2点运行，而非地球轨道。
项目历史[编辑]
起源到合约签订[编辑]
哈勃空间望远镜后续的讨论始于1980年代，但认真的计划始于1990年代初期[15]。测量高红移(Hi-Z)望远镜的概念是在1989年至1994年间开发的[16]： 一个完全挡板的[Note 1] 4米（13英尺）直径红外望远镜，它将后退到3个天文单位 (AU) 的轨道[17]。 这个遥远的轨道将受益于黄道尘埃减少的光噪声[17]。 其他早期计划要求NEXUS前体望远镜任务[18][19]。
规划与开发[编辑]
NASA的戈达德太空飞行中心领导着望远镜项目的管理。负责詹姆斯·韦伯空间望远镜的项目科学家是约翰·马瑟。诺斯洛普·格鲁曼是望远镜开发和集成的主要承包商。其负责开发和建造航天器的元件，其中包括卫星总线和遮阳板。Ball Aerospace & Technologies承包了开发和制造光学望远镜组件。诺斯洛普·格鲁曼的 Astro 航空航天业务部门已签约建造可展开塔组件 (DTA)，将 OTE 连接到航天器总线和中臂组件 (MBA)，帮助在轨道上部署大型遮阳板。[20]戈达德太空飞行中心还负责提供综合科学仪器模块。[21]
2005年春季的预算增长使NASA在2005年8月的重新规划。[22]重新规划后集成和测试计划有重大变化，发射时间也从2011年推迟到了2013年，并且取消了对波长短于 1.7 μm 的天文台模式的系统级测试。望远镜的其他主要功能没有改变。 重新规划后，该项目于2006年4月进行了独立审查。
在 2005 年的重新规划中，该项目的总成本估计为 45 亿美元。 其中包括用于设计、开发、发射和调试的约 35 亿美元，以及用于十年运营的约 10 亿美元。[22] 欧洲空间局包括发射在内贡献了大约 3 亿欧元。[23]加拿大航天局于 2007 年承诺提供 3,900 万加元[24]，并于 2012 年提供了用于调节望远镜朝向和探测遥远行星大气状况的设备。[25]
建造[编辑]
2007年1月，詹姆斯·韦伯空间天文台10项技术开发项目中的其中9项顺利通过审查。这些技术被认为足够成熟，重大风险可以被消除。剩余的一项技术开发项目（MIRI 低温冷却器）于2007年4月达到技术成熟。该技术审查代表详细设计阶段（C 阶段）开始。2007年5月，建造成本仍然在目标范围内。2008年3月，詹姆斯·韦伯空间天文台成功完成初步设计审查。2008年4月，詹姆斯·韦伯空间天文台通过审查。其他通过的审核包括2009年3月的综合科学仪表模块审核、2009年10月完成的光学望远镜元件审核以及2010年1月完成的太阳遮罩审核。
2010年4月，该望远镜通过了关键任务设计审查，意味着詹姆斯·韦伯空间天文台可以满足所有任务设计的科学和工程要求。在关键任务设计审查之后的几个月里，该计划时间表接受独立综合审查小组审查，导致计划重新制定，目标在2015年发射，且不晚于2018年。到2010年，詹姆斯·韦伯空间天文台成本影响到其他计划，尽管空间天文台仍然按计划进行。
2011年，詹姆斯·韦伯空间天文台已进入最终设计和制造阶段（C 阶段）。对于一旦启动就无法更改的复杂设计，通常会对设计、施工和运作的每个部分进行详细审查。该计划开创新的技术，并通过了设计审查。在1990年代，建造这么大且高质量的望远镜是否可行仍是未知数。
2015年11月开始利用机械手臂组装主镜，并于2016年2月完成。詹姆斯·韦伯空间天文台于2016年11月完成建造，此后开始广泛的测试程序。2018年3月，由于望远镜的太阳遮罩在测试部署期间撕裂，美国国家航空航天局将空间天文台的发射再推迟一年直到2020年5月。2018年6月，根据2018年3月测试部署失败后召集的独立审查委员会评估，美国国家航空航天局将发射时间再推迟10个月直到2021年3月。审查还发现詹姆斯·韦伯空间天文台有344个潜在的单点故障。2019年8月，望远镜机械结构完成，比原定于2007年完成足足晚了12年。此后，工程师们加装五层遮阳板，以防止红外线对望远镜造成损坏。
施工完成后，詹姆斯·韦伯空间天文台在加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯洛普·格鲁曼工厂进行了最终测试。
升空与部署[编辑]
一艘搭载望远镜的船支于2021年9月26日离开加利福尼亚州，经过巴拿马运河，于2021年10月12日抵达法属圭亚那。美西时间2021年12月25日上午7:21，在法属圭亚那的欧洲空间局库鲁基地，负责运送的阿丽亚娜5号火箭顺利升空。[14]2022年1月4日，詹姆斯·韦伯空间天文台长达70英尺的遮阳板完全展开。[26]美国东部时间2022年1月8日下午1：17，望远镜的主镜展开，这标志着该望远镜已顺利完全部署[27]。
图像摄制[编辑]
美国东部时间2022年1月24日下午2点，成功抵达最终目的地距离地球约150万公里的日地系统拉格朗日L2点[28][26]。
2022年2月初，韦伯空间天文台机载设备启动后拍摄到了第一颗恒星的图像并将其发回地球。[29]
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维基新闻中的相关报导：詹姆斯·韦伯空间天文台成功抵达拉格朗日L2点 |
2022年3月16日，NASA 举行发布会，宣布詹姆斯·韦布望远镜已经在3月11日完成关键的镜面校准步骤中的精细调相阶段（fine phasing）。并公布了一张调相阶段的照片。该照片是以一颗名为2MASS J17554042+6551277的恒星为基点。[30]该恒星质量和太阳相当，距离地球约2000光年，属于银河系内的恒星，位于大熊座方向。照片内，该颗恒星显示出八条对称的放射线，那是在调试18个正六边形镜面造成的。尽管在调试阶段，还是可以清楚的看见背后的遥远星系，约在10亿光年距离以上的银河系外的星系。[31]
2022年7月12日，美国总统拜登向外界公布了首张韦伯空间望远镜摄制的全彩色图像，同批的全套全彩图像和光谱数据图像将于美国东部时间上午10:30向外界公开[32]。
2022年9月，韦伯望远镜首次发回火星图像。[33]
合作伙伴[编辑]
自1996年起，美国宇航局NASA、欧空局ESA和加拿大宇航局CSA在望远镜项目上就开始合作了。欧空局参与建设和发射于2003年得到其成员的批准，欧空局与美国宇航局于2007年签署了一项协议。为了换取其天文学家的全面合作伙伴关系、代表权和进入天文台的机会，欧空局正在提供 NIRSpec 仪表、MIRI 仪表的光学台架组件、Ariane 5 ECA型发射器以及支持操作的人力[34]。CSA 将提供精细制导传感器和近红外成像仪无狭缝光谱仪以及支持操作的人力[35]。
来自15个国家/地区的数千名科学家、工程师和技术人员为 JWST 的构建、测试和集成做出了贡献[36]。 共有258家公司、政府机构和学术机构参与了发射前项目； 其中的142家来自美国，104家来自12个欧洲国家，12家来自加拿大[36]。 作为 NASA 合作伙伴的其他国家，例如澳大利亚，已经或将参与发射后的操作[37]。
参与国[编辑]
公开展示和宣传[编辑]
自 2005 年以来，一个大型望远镜模型已在多个地方展出：美国华盛顿州西雅图； 科罗拉多州科罗拉多斯普林斯； 马里兰州绿带城； 纽约州罗切斯特； 纽约市； 和佛罗里达州奥兰多； 和法国巴黎的其他地方； 爱尔兰都柏林; 加拿大蒙特利尔； 英国哈特菲尔德； 和德国慕尼黑。 该模型由主要承包商诺斯洛普·格鲁门航空航天系统公司建造[38]。
2007年5月，望远镜的全尺寸模型组装完成，在华盛顿特区国家广场的史密森尼学会美国国家航空航天博物馆展出。该模型旨在让观众更好地了解卫星的大小、规模和复杂性，并激发观众对科学和天文学的兴趣。 该模型与望远镜有很大不同，因为模型必须承受重力和天气，因此主要由铝和钢制成，尺寸约为24米 × 12米 × 12米（79英尺 × 39英尺 × 39英尺）和重量约为5,500千克（12,100磅）[39]。
该模型在2010年世界科学节(World Science Festival)期间在纽约市的炮台公园展出，并作为诺贝尔奖获得者约翰·马瑟、宇航员约翰·格伦斯菲尔德、和天文学家海蒂·哈梅尔的小组讨论的背景。 2013年3月，该模型在奥斯汀为SXSW 2013艺术节与大会展出[40][41]。
任务[编辑]
詹姆斯·韦伯空间天文台有四个主要目标：
该望远镜的主要的任务是调查大爆炸理论的残余红外线证据（宇宙微波背景辐射），即观测今天可见宇宙的初期状态。为此它配备高灵敏度红外电传感器、光谱器等。为便于观测，机体要能承受极度低温，也要避开太阳光与地球反射光等等。为此望远镜附带了可折叠遮光板，以屏蔽会成为干扰的光源。因其处于拉格朗日点，地球、太阳与望远镜三者的视界总处于一定的相对位置，不用频繁的修正位置也能让遮光板发挥功效。
发射和任务长度[编辑]
该望远镜的发射计划地点为法属圭亚那航天中心，将由阿丽亚娜五号火箭运载升空[43]。
该望远镜的标称任务时间为5年，目标为10年[44]。计划中的5年科学任务将在6个月的调试阶段后开始[45]。JWST需要使用推进剂来维持其围绕L2的晕轮轨道，这为其设计寿命提供了上限，不过它的设计为，自身携带的推进剂足够使用10年。[45]L2轨道是不稳定的，因此需要保持轨道站位，否则望远镜将偏离此轨道位置[46]。
轨道[编辑]
哈勃空间望远镜位于从地表大约600公里的低轨道位置上。因此，即使光学仪器发生故障也可以用航天飞机前去修理。詹姆斯‧韦伯空间望远镜位于离地球150万公里的距离，即使出现故障也不可能派遣修理人员。但它位于第二拉格朗日点上，重力相对稳定，故相对于邻近天体来说可以保持不变的位置，不用频繁地进行位置修正，可以更稳定的进行观测，而且还不会受到地球轨道附近灰尘的影响。
红外天文学[编辑]
詹姆斯·韦伯空间天文台（JWST）是哈勃空间望远镜（HST）的正式继承者，由于其主要重点是红外天文学，因此它也是斯皮策空间望远镜（SST）的继承者。JWST将远远超过这两种望远镜，能够看到更多、更老的恒星和星系[47]。在红外光谱中进行观测是实现这一目标的关键技术，因为宇宙学红移，并且因为它可以更好地穿透模糊的尘埃和气体。这允许观察较暗、较冷的物体。由于地球大气中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收大部分红外线，因此地面红外天文学仅限于大气吸收较弱的狭窄波长范围。此外，大气本身在红外光谱中辐射，通常会压倒被观察物体发出的光。这使得空间天文台更适合用于红外观测[48]。
地面支援和运营[编辑]
位于马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学霍姆伍德校区的空间天文台科学研究所（STScI）被选为JWST的科学与运营中心（S&OC），初始预算为$1.622亿美元，旨在支持运营发射后的第一年[49]。在这种能力下，空间天文台科学研究所（STScI）将负责望远镜的科学运作并向天文学界提供数据产品。数据将通过NASA深空网络（NASA Deep Space Network）从JWST传输到地面，在空间天文台科学研究所进行处理和校准，然后在线分发给世界各地的天文学家。与哈勃空间望远镜的运作方式类似，世界上任何地方的任何人都可以提交观测建议。
构造[编辑]
詹姆斯·韦伯空间望远镜的重量为6.2吨，约为哈勃空间望远镜（11吨）的一半。
遮光罩[编辑]
由于詹姆斯·韦伯空间天文台是红外线望远镜，所以它的观测组件的温度必须保持在50 K（-223.2 °C；-369.7 °F）以下，否则，观测目标的信号会淹没在来自望远镜本身、太阳、地球与月球的红外辐射中。为了保持低温，它使用了一个巨大的遮光罩以隔绝来自太阳、地球和月亮的光与热量，并且为了使这三个天体处于望远镜的同一侧，它被部署于太阳─地球的第二拉格朗日点的晕轮轨道上。望远镜位于L2点的晕轮轨道避免了来自地球与月亮的阴影，这使遮光罩与太阳能电池阵列可保持在稳定的环境中。遮光罩为其暗面的结构提供了稳定的温度环境，而为主镜在太空中维持精准一致的温度是非常重要的。
该遮光罩具有五层，每一层都薄如人类的发丝。遮光罩由聚酰亚胺薄膜制造，使用来自杜邦公司的特制双面镀铝薄膜，在最靠近太阳的两层遮光罩的向阳面，额外镀有一层经掺杂的硅，以将太阳辐射反射回太空。[50]2018年测试期间薄膜的意外撕裂也是项目推迟的因素之一。
遮光罩被设计为可以折叠十二次，使其能够适应阿丽亚娜5号运载火箭的整流罩的尺寸[51]。望远镜在L2点部署后，它将展开到14.162m×21.197m大。它由ManTech(NeXolve)公司在亚拉巴马州亨茨维尔市组装，然后交付给诺斯罗普·格鲁门公司在雷东多海滩 (加利福尼亚州)测试。
因为遮光罩的原因，詹姆斯·韦伯空间望远镜并非在任何时刻都有一个很好的观测范围。望远镜在某一个位置时，只可观测该位置40%的天空范围，但是可以在六个月的时间中观测全部的天空，在此期间望远镜会环绕太阳半周。
主镜[编辑]
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詹姆斯·韦伯空间望远镜的主反射镜是一面直径6.5米（21英尺），具有25.4 m2（273 sq ft）的聚光面积的镀金铍制反射镜，黄金涂层提供红外线反射性和耐用性。若将这面反射镜制成一整面巨大的反射镜，那么将没有运载火箭可以将其发射。于是主镜被设计为一个由18块六边形镜片组成的可折叠反射镜（圭多·霍恩·达尔图罗提出的大镜面望远镜解决方法），每个镜面的抛光误差不得超过10纳米；同时镜面也经过专门研磨，使得其能够在遮阳板阴影的极度严寒环境中保持正确形状。这面反射镜以折叠状态发射，在发射后再展开至工作状态。在展开后，每个独立镜片将使用相位恢复波前传感技术进行校准，所有独立镜片都会被非常精密的微型马达校准至正确的位置。在这次初始设置之后，镜面就不需要进行大的调整了，只需要每隔几日更新一些参数以维持最佳聚焦状态即可。[52]这与陆基分镜片望远镜不同，例如凯克天文台的凯克望远镜，陆基天文望远镜需要频繁的使用主动光学校准每个镜片，以消除重力与风荷载带来的影响。
詹姆斯·韦伯空间望远镜共使用了132个微型马达（称为执行器）来定位镜片，也可以偶尔在望远镜受到了环境干扰时进行光学校准。[53]18片镜片中每一个都具有6个位置控制执行器，此外，每个镜片中部还另有1个曲率半径控制执行器来调整镜面曲率（每片镜面共有7个执行器），共计126个基本执行器。外加6个安装于次级镜片上的执行器，一共有132个执行器。[54]每个执行器都可以以10纳米的精度对镜片进行调整。
詹姆斯·韦伯空间望远镜是一个三次反射消像散型的望远镜，[55]这种望远镜的二级与三级反射镜均具有曲率，可以在光学畸变很小的情况下以宽视场传递图像。二级反射镜直径0.74米（2英尺5英寸）。此外，还有一枚可以每秒数次调整自己位置的精密反射镜，这枚反射镜用来消抖。主镜的背面以蜂巢型镂空来减低重量。
波尔航空与技术是詹姆斯·韦伯空间望远镜计划的首要光学转包商，由主要承包商诺斯罗普·格鲁门公司领导，而位于马里兰州绿带城的戈达德太空飞行中心下达订单。[56][57]主镜及其飞行备件均由波尔航空与技术制造与抛光，铍制毛坯由以下多家公司共同制造：Axsys、Brush Wellman和Tinsley Laboratories[58]
主镜的镜片排成六角形，聚光部和镜面都露在外面，容易让人联想到射电望远镜的天线。另外，它的主体也不呈筒状，而是在主镜下展开座席状的遮光板。[59][60][61]
科学有效载荷[编辑]
综合科学仪器模块（ISIM）是一个框架，可为韦伯望远镜提供电力、计算资源、冷却能力以及结构稳定性。它由附着在韦伯望远镜结构底部的石墨-环氧树脂复合材料制成。ISIM装有四个科学仪表和一个引导相机。
- NIRCam（近红外相机）是一种红外成像仪，其光谱覆盖范围从可见光边缘（0.6 微米）到近红外光（5 微米）[62][63]。有10个传感器，每个4M像素。NIRCam还将用作天文台的波前传感器，这是波前传感和控制活动所必需的。NIRCam由亚利桑那大学首席研究员Marcia J. Rieke领导的团队与共同打造。工业合作伙伴是位于加利福尼亚州帕罗奥图的洛克希德-马丁公司（Lockheed-Martin）的先进技术中心[64]。
- NIRSpec（近红外光谱仪）还将在相同的波长范围内进行光谱学分析。它由欧洲航天局在荷兰诺德韦克市的欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）建造。
- MIRI（中红外成像-光谱仪）是由一个中红外相机和一个光谱仪构成的组合体，它的观测范围是5 到 27 微米的中长红外线。MIRI是由NASA与一个欧洲财团共同开发的设备，该仪器由George Rieke（亚利桑那大学）与 Gillian Wright（UK Astronomy Technology Centre，位于爱丁堡，苏格兰，该设施隶属于英国科学与技术设施委员会）共同领导开发。[65]MIRI的齿轮系统与NIRSpec的十分相似，因为他们均由马克斯·普朗克天文研究所（海德堡，德国）签订合同并由卡尔蔡司光电有限责任公司（今日的亨索尔特公司）设计并制造。为了将MIRI整合进综合科学仪器模块（ISIM），其完整的光学装配调试在2012年中送至戈达德太空飞行中心后才进行。MIRI工作温度不能超过6 K（−267.15 °C；−448.87 °F），因此将会在它的工作环境防护层较温暖的一侧（向阳的一侧）安装一个氦气制冷装置以维持其工作所需的低温。[66][67][68]
- FGS/NIRISS（精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪），由加拿大航天局领导的项目科学家约翰·哈钦斯（John Hutchings）（赫茨伯格天体物理研究所，加拿大国家研究委员会）用于在科学观测期间稳定天文台的视线。FGS的测量结果还会同时用于航天器的总体定位与驱动精密反射镜进行图像消抖。加拿大航天局同时还为太空成像与光谱分析提供了近红外成像仪与无缝隙光谱仪（可分析的波长区间为0.8至5μm）模组，该模组设计由René Doyon（蒙特利尔大学）领导。由于NIRISS是与FGS物理挂载在一起的，因此它们总会被作为同一个单元一同提及；然而这两个设备是为完全不同的工作服务的，FGS作为天文台基础设施存在，而NIRISS是作为科学研究仪器工作。
NIRCam（近红外相机）和MIRI（中红外成像-光谱仪）具有阻挡星光的日冕仪，用于观察微弱的目标，例如非常靠近明亮恒星的太阳系外行星和星周盘[68]。
NIRCam，NIRSpec，FGS与NIRISS模组中的红外探测模块均由Teledyne图像传感器公司（前身为Rockwell科学公司）提供。詹姆斯·韦伯空间望远镜的综合科学仪器模块与指令-数据处理模块的工程团队使用航天线缆在科学仪器与数据处理设备间传递数据。[69]
总线组件[编辑]
总线是韦伯望远镜的主支撑部件，可为望远镜提供计算，通信，电力，推进服务，它也用于支撑望远镜上的结构部件[70]。它与遮光罩构成了望远镜的航天器元件[71]。望远镜的另外两个主要模块是综合科学仪表模块(ISIM)[72]和光学望远镜元件(OTE)。ISIM的3号区也同样位于航天总线内部。3号区包含有ISIM（综合科学仪表模块）的指令与数据子系统和MIRI（中红外成像-光谱仪）的低温冷却器。[73]航天总线与光学望远镜组件通过可展开的塔式组装相连，塔式组装同时也将遮光罩与前述的两个部件连接在一起。[74]航天总线被安装在遮光罩向阳那比较“温暖”的一面，将会工作在300 K（27 °C；80 °F）。[75]
航天总线结构具有350千克（770磅）的质量，它还必须足够坚固以支撑重达6,200千克（13,700磅）的空间望远镜本身。[76]因此它采用了碳复合材料制作。[76]该结构于2015年在加利福尼亚组装完成，之后它就将成为望远镜其余结构装配的核心元件直至2021年发射。航天总线可以将望远镜以一弧秒的精度进行旋转并且可以隔绝抖动，以将误差降低至两毫弧秒。[77]
在中央计算、存储与通讯部件中，[74]处理器与软件控制着数据在科学仪器、固态存储模块与可将数据发回地球的通讯系统间的流动。[74]计算机也同时通过陀螺仪与星光探测器返回的传感数据计算航天器的姿态，再使用反作用飞轮与推进器控制航天器的指向。
詹姆斯·韦伯空间望远镜具有两对火箭发动机（其中一对作为冗余）用来在飞往L2点时修正航向与到达L2点后进行晕轮轨道位置保持。此外，还有八个更小的推进器用于姿态控制，控制航天器的指向。[78]发动机使用肼作为燃料（升空时装有159 L（35 imp gal；42 US gal）），氧化剂采用四氧化二氮（升空时装有79.5 L（17.5 imp gal；21.0 US gal））。[79]
维护[编辑]
目前为止并没有在太空中对詹姆斯·韦伯空间望远镜进行维护的计划。像对哈勃空间望远镜那样，派遣一个乘组进入太空对韦伯望远镜进行维护，在目前来讲是无法做到的。[80]并且，据美国国家航空航天局副局长托马斯·祖布臣所说，尽管做出了极大的努力，但是在韦伯望远镜开始设计的年代，同时设计一个无人远程维护计划超出了当时科技所能达到的地步。[81]在韦伯望远镜漫长的测试期间，许多NASA的成员都提出了维护任务的提议，但从未有正式宣布过的维护计划。[82][83]韦伯望远镜成功发射之后，NASA宣布，考虑到未来有可能有进行维护任务的需要，他们已经在望远镜上设计了若干易于进行维护的措施。包括：为远程维护任务准备的，一系列十字线中的细致的指导标记、可以重新加注的燃料箱、可移除的隔热罩还有易于触及的连接点。[84][81]
与其他空间望远镜的对比[编辑]
对于大型红外空间望远镜的需求可以追溯至数十年之前。在美国，航天飞机尚在开发中时，空间红外望远镜设备（SIRTF，之后被命名为斯皮策空间望远镜）就进入计划阶段了，红外天文学的潜力也是在这一时期变得广为人知的。[85]与地面望远镜不同，空间望远镜可以避免大气对于红外线频段的吸收，空间望远镜为天文学家打开了一片“全新的天空”。[85]
在超过400千米的高空，大气极其稀薄，因此几乎无法产生任何可测量的光谱吸收，因此工作在5至1000微米波长的传感器可以达到很高的灵敏度。
——S. G. McCarthy 与 G. W. Autio，1978。[85]
然而，红外空间望远镜具有一个缺点：所有的红外望远镜都需要工作在极冷的温度下，所需要观测的波长越长，工作的温度就越低。[86]否则它自身设备产生的红外背景辐射将会淹没红外传感器，使其事实上完全无法观测。[86]但这个缺点可以通过谨慎设计航天器来克服，例如特意将望远镜与极冷的物质——比如液氦——一起置于一个杜瓦瓶中。[86]这也意味着大多数红外望远镜的寿命将会受到其冷却剂储量的约束，寿命最短只有几个月，最长也不过数年时间。[86]
在过去的一些望远镜中，通过合理设计航天器，可以做到不使用冷却剂也能将温度维持在足以支持近红外观测的范围内，例如斯皮策空间望远镜与广域红外线巡天探测卫星的延伸任务。另一个例子是哈勃空间望远镜上装备的近红外线照相机和多目标分光仪，在使用数年后固态氮冷却剂耗尽，但在之后的维护任务中改装为使用低温冷却器从而可以继续工作。而詹姆斯·韦伯空间望远镜被设计为不使用杜瓦瓶即可进行自我冷却，这一特点是通过结合使用遮光罩与散热器达到的，但其上搭载的中红外观测设备（MIRI）仍需使用额外的低温冷却器。[87]
| 名称 | 升空年份 | 波长 (μm) |
孔径 (m) |
冷却方法 |
|---|---|---|---|---|
| 太空实验室红外望远镜 (IRT) | 1985 | 1.7–118 | 0.15 | 氦 |
| 红外线太空天文台 (ISO)[89] | 1995 | 2.5–240 | 0.60 | 氦 |
| 哈勃携带的 空间望远镜影像摄谱仪 (STIS) | 1997 | 0.115–1.03 | 2.4 | 被动 |
| 哈勃携带的 近红外线照相机和多目标分光仪 (NICMOS) | 1997 | 0.8–2.4 | 2.4 | 氮气，后改为低温冷却器 |
| 斯皮策空间望远镜 | 2003 | 3–180 | 0.85 | 氦 |
| 哈勃携带的 第三代广域照相机 (WFC3) | 2009 | 0.2–1.7 | 2.4 | 被动，与热电效应冷却[90] |
| 赫歇尔空间天文台 | 2009 | 55–672 | 3.5 | 氦 |
| 詹姆斯·韦伯空间望远镜 | 2021 | 0.6–28.5 | 6.5 | 被动，与低温冷却器（MIRI） |
韦伯空间望远镜的延期与预算膨胀可以与哈勃空间望远镜相比拟。[91]当哈勃空间望远镜于1972年正式立项时，开发预算为3亿美元（约为2006年的10亿美元），[91]但是截至1990年哈勃终于入轨时，哈勃所花费的金额是初期预算的大约四倍之多。[91]此外，替换新科学仪器与执行数次维护任务更是在2006年使总花销增加到了至少90亿美元之多。[91]
许多在NASA与韦伯望远镜同期提议的天文台计划大多已经被取消或是暂停，包括：类地行星发现者（2011），太空干涉测量任务（2010），国际X射线天文台（2011），微弧秒X射线成像任务(MAXIM)，单孔径远红外天文台（SAFIR），空间紫外可见天文台（SUVO），与亚毫米宇宙结构演化探测器（SPECS）。
图集[编辑]
- JWST 的第一批图片 - 2022 年 7 月 12 日发布
-
船底座星云的宇宙悬崖 -
南环星云（NGC 3132；左：近红外相机；右：MIRI相机） -
斯蒂芬五重星系（NIRCam/MIRI 复合） -
斯蒂芬五重星系(NIRCam近红外相机) -
斯蒂芬五重星系(MIRI中红外成像-光谱仪) -
WASP-96b 的光谱
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设计图片[编辑]
任务标志[编辑]
名称[编辑]
中国大陆地区官方翻译名称[编辑]
2021年12月23日，中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会公告，JWST名称被审定为詹姆斯·韦布空间望远镜[7]。此前，美国国家航空航天局介绍该望远镜使用的简体中文名称为詹姆斯·韦伯太空望远镜[92]。
庆祝[编辑]
美东时间2022年7月11日，韦伯空间天文台团队公开发表第一批照片，其中SMACS 0723星系团的照片里，捕捉到历来“早期宇宙最深处、最清晰的红外线影像”，可追溯到130亿年前[93][94]。
2022年7月13日，Google更改了Google Doodle，共同庆祝此一成果。
注释[编辑]
参见[编辑]
参考文献[编辑]
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解释性说明[编辑]
- ^ "Baffled", in this context, means enclosed in a tube in a similar manner to a conventional optical telescope, which helps to stop stray light entering the telescope from the side. For an actual example, see the following link: Freniere, E.R. First-order design of optical baffles. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Conference Series, First-order design of optical baffles. Radiation Scattering in Optical Systems 257: 19–28. 1981. Bibcode:1981SPIE..257...19F. doi:10.1117/12.959598.
外部链接[编辑]
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