[科普中国]-詹姆斯·韦伯空间望远镜

简介

为了克服大气的干扰，科学家们还将望远镜安置在地球轨道上，称为太空望远镜，其中最有名的当属哈勃太空望远镜。哈勃太空望远镜做出了很多重要的发现，但它的寿命最长只能持续到2010年前后，届时需要由新一代太空望远镜来接替它的工作，这就是詹姆斯·韦伯太空望远镜。

JWST项目于1995年10月启动，立项时名称为下一代太空望远镜（Next Generation Space Telescope）。为纪念NASA的第二任行政官James E Webb，该项目于2002年改名为James Webb Space Telescope，原计划于2014年发射升空，现计划延迟至2018年。

詹姆斯·韦伯望远镜能够探测到更远的太空，但质量只有哈勃望远镜的1/3。它采用反射式结构，省略了镜筒，主镜片直径约为6m，由18块六角形的镜片组成，探测遥远暗淡天体的能力是哈勃望远镜的400倍。科学家计划将詹姆斯·韦伯太空望远镜发射升空后，定位在距地球151万km远的日地系统平衡点，既远离大气尘埃的影响，也没有空间碎片撞击的风险。望远镜始终处于地球背离太阳的阴影中，可使日、地辐射对光学系统的影响最小。

詹姆斯·韦伯望远镜将主要利用红外波段进行观测，对宇宙的纵深进行研究，目的是了解星系、恒星以及包括地球在内的行星从宇宙“大爆炸”至今经历了怎样的演化过程。科学家希望用它“捕捉”到宇宙第一缕光线，即大约110亿年前最初的恒星和星系形成时发出的光芒。34

结构特点韦伯太空望远镜长24米，宽12米，高12米。由三个主要部件组成：综合科学工具指令舱（ISIM）、光学望远镜（OTE）以及太空舱组件（太空舱和遮光罩）。该大型望远镜包含4 台科学仪器，分别为近红外摄像机（Near-Infrared Camera，简称 NIR Cam）、近红外光谱仪（Near-Infrared Spectrograph，简称 NIR Spec ） 、中红外仪（MidInfrared Instrument，简称MIRI）和精细导星感测器（Fine Guidance Sensor，简称FGS）。这些仪器使 JWST 具备强大的探索和研究宇宙历史的能力。

韦伯太空望远镜的六边型主光学望远镜的镜片直径约为6.5米，而哈勃太空望远镜的镜片只有2.4米，如此巨大的镜片使得它能够探测到亮度很低的天体。不过，没有哪个运载火箭宽到可以容纳如此大的镜片，因此该镜片由18节可折叠的分镜片组成，这也成为它最具风险性的设计，在发射升空后，镜片才会全部打开。

此外，遮光罩如网球场那么大，矩形，共5层，升空后也将被展开，用来为镜片和其他航天器元部件遮挡来自太阳的热量。54

设计特色韦伯太空望远镜是第一代太空望远镜——哈勃太空望远镜的继任者。哈勃太空望远镜是在1990年发射升空的，在它的帮助下，科学家对宇宙的了解大大加深。但随着时间的流逝，哈勃太空望远镜正不断老化，难当大任，应该“退休”了。相比之下，韦伯太空望远镜的功能则更为强大。

（1）成本大大降低。韦伯太空望远镜的成本将为45亿美元，包括研制、发射以及升空后10年的运行费用。而20世纪80年代研制的哈勃太空望远镜的成本在70亿美元到80亿美元之间。

（2）不需要人工维护。韦伯太空望远镜不会像哈勃太空望远镜那样需要宇航员的维修服务，在设计上，它能够与一艘未来飞船实现对接，进而实现一些简单和常见问题的处理。这样，即使“航天飞机计划”被终止，韦伯太空望远镜也不会因此而年久失修。

（3）功能更集中。虽然韦伯太空望远镜被称作哈勃太空望远镜继任者，但实际上它们的功能有很大差别。哈勃太空望远镜可观测的光波的范围很大，从紫外线到可见光到红外线，而韦伯太空望远镜尽管也能够观测一部分可见光波段，但主要还是集中在红外线波段。5

科学目标詹姆斯·韦伯空间望远镜常常被誉为是哈勃空间望远镜的继承者。詹姆斯·韦伯望远镜将装备一台6.5m的拼接式主镜面。它将会被部署在距离地球150万千米的深空，在那里观测、探寻星系的诞生与演化以及恒星与行星的形成过程。韦伯望远镜上装备的4台科学载荷覆盖了从可见光一直到中红外波段的广泛范围，从而使其成为观测宇宙中遥远目标，或是观测银河系内部被气体尘埃云隐匿起来的目标时的强大工具。6

设计特点詹姆斯·韦伯空间望远镜具有以下特点2：

①詹姆斯·韦伯空间望远镜的主镜面集光能力大约是哈勃空间望远镜的7倍：

②詹姆斯·韦伯空间望远镜所采用的遮光罩面积是22米x12米，在遮光罩的正反面温差达300摄氏度；

③詹姆斯·韦伯空间望远镜的所有观测设备必须被保持在极低的温度下，如此方能确保仪器自身的红外辐射不会对观测产生干扰；

④詹姆斯-韦伯空间望远镜将于2018年搭乘欧洲阿里安火箭升空，升空后它将运行于距离地球150万千米的拉格朗日点开展科学观测活动。

坎坷的研制历程在讨论詹姆斯-韦伯空间望远镜的话题时很难避免谈到这台划时代的先进观测设备在其建造过程中所遇到的诸多困难。由于预算，技术以及管理方面的诸多问题，该项目的推进不断出现研制工期超期以及预算严重超支情况。如果将欧洲和加拿大为此项目付出的预算也算上，目前这一项目的耗资总额已经接近惊人的100亿欧元（约合811.7亿元人民币）。事实上，这些困难和不断地延期已经造成了很多困扰，比如德国方面发现，在美国为其建造NirSpec所提供的部件中有2台已经出现了问题，需要在设备发射升空之前进行更换。这2台设备分别是红外探测器以及微型遮光系统。红外探测器的探测能力已经随着时间的推移而逐渐降低了灵敏度，因此需要进行更换。而微型遮光系统则是一个使用了超过25万个微型夜空观测天体的装置，其每次最多可以导入100个天体的光线进行观测。在测试中发现这一装置中有一部分小门会卡在开启状态而无法闭合。对此美国戈达德中心的工程师们已经设计出针对（解决）这一问题的对策，但是尚需对设备进行改装，以便应用这些改进对策。

尽管詹姆斯·韦伯空间望远镜的研制过程中出现了这样或者那样的失误和困难，耗资也确实异常惊人，但实际上科学家们对于詹姆斯·韦伯空间望远镜的期待一点都不比哈勃望远镜少。JWST项目主管，美国宇航局的埃里克·史密斯博士表示：“韦伯将是一台‘难以预料’的望远镜，就像它的前辈哈勃那样。当哈勃空间望远镜升空时．人们对其提出了一系列科学指标并或多或少的预测了它将能作出哪些发现。结果哈勃望远镜的确实现了那些预言。但是纵观哈勃望远镜项目的全貌，其中最惊人以及最振奋人心的发现，却都是那些未曾事先料到的意外发现。而这一次，韦伯望远镜也一定会有类似的事情发生。”而来自欧洲空间局的马克·麦克科汉则给出了更加惊人的评价，他说：“毫无疑问，詹姆斯·韦伯空间望远镜将会成为下一代宇宙观测的核心设备，目前很多的科研计划都是以假定詹姆斯·韦伯空间望远镜能够如期顺利升空并开展预定观测计划为基础的。在很多方面，相比我们目前最好的观测设备，詹姆斯·韦伯空间望远镜在分辨能力方面不是提升了10倍或者100倍，而是提升了1000倍甚至10000倍。这将是一台主宰时代的超级观测设备。”2

与哈勃太空望远镜对比韦伯望远镜是美国宇航局哈勃太空望远镜的后继者，它将是有史以来人类建造的最大太空望远镜。该望远镜由美国宇航局领导，包括欧空局、加拿大空间局一起参与的项目。严格地说，韦伯望远镜与哈勃望远镜并非谁取代谁的关系。由于用途和波段的不同，也让韦伯望远镜和哈勃望远镜在设计上大相径庭。

如果说，哈勃望远镜采用的大镜筒还停留在我们对望远镜的传统印象，那么，韦伯望远镜则采用了十分独特的反射结构，这也是理想与现实妥协的结果。为了加强聚光能力和分辨率，韦伯望远镜的设计口径达到了6.5米，是哈勃2.4米口径的3倍。

由于口径太大，目前没有任何一种运载工具可以将6.5米的大镜筒送入太空，因此韦伯望远镜使用了折叠结构，18块直径1.3米的6边形镜片拼合为一个6.5米的望远镜，发射时将镜片折叠起来，当望远镜进入太空后再展开。同时，韦伯望远镜还进行了减重，其发射质量只有6.5吨，比哈勃望远镜的发射质量减轻了一半。

此外，哈勃望远镜主要的观测波段是可见光，因此它可以在近地轨道上运行，加之镜头前有遮光罩，即使在阳光暴晒下也不会受到大的影响。相反，为了观测第一代恒星，收集它们位于近红外和中红外波段的微弱光线，韦伯望远镜需要极为苛刻的超低温环境，否则在自身受热后，其释放出的红外线就会对观测构成干扰。因此，韦伯望远镜需要维持在高于零下50摄氏度的低温环境。为了维持这样的超低温环境，韦伯望远镜将被置于距离地球150万公里外的日地L2点的晕轨道上，这里不仅避开了地球和月球的阴影，为望远镜提供了更好的观测条件，更重要的是晕轨道与日地的相对位置稳定，可以方便调整遮阳板方向，有效地屏蔽来自太阳和地球的热辐射。

此外，独特的轨道设计也对韦伯望远镜提出了很高的要求。众所周知，哈勃望远镜服役25年来，美国使用航天飞机对哈勃望远镜进行了多次在轨维护，但韦伯望远镜置于距离地球150万公里外的L2晕轨道上，这里是人类从未涉足的深空，这就需要它具有很高的可靠性，保证在设计寿命内稳定工作。或许是哈勃望远镜超期服役带来的乐观情绪，工程师们相信韦伯望远镜能工作得更久，或许未来人类的脚步会走到L2轨道，因此韦伯望远镜在设计时还预留了一个与其他航天器进行对接的端口。不过，虽然美国宇航局将在2018年发射韦伯望远镜，但也有人认为，该望远镜在未来3年时间进行的各种测试，将会是太空望远镜进入轨道前的重要环节，直接决定其性能是否达到了要求。7

重要进展通过为发射做准备的关键测试2007年8月，作为NASA哈勃望远镜的下一代后继设备，韦伯空间望远镜基于NI LabVIEW FPGA技术，顺利通过了2013年发射前的重要测试关卡。JWST的一个重要元素是近红外线声谱仪（Near Infrared Spectrograph，NIR Spec），该装置具备了超过250000个微型快门来帮助人们更好地观察成千上万的遥远星系，以更好地认识宇宙起源。这些微型快门实际上是微电机系统装置（micro electro mechanical system，MEMS），其作用类似于照相机的快门，是用于控制曝光量的。NASA戈达德空间飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center）的工程师在实验室里成功地运用LabVIE WFPGA来控制和测试这些微型快门。8

利用Space Wire 技术提高清晰度美国宇航局的詹姆斯·韦伯空间望远镜将通过高速串行总线“Space Wire”技术，使宽带升级。这样，一旦该望远镜在2013年发射升空，这个新的轨道天文台捕获宇宙图像的清楚程度将是空前的。位于马里兰州格林贝特的美国宇航局戈达德航天飞行中心的工程师此次采用了Space Wire技术。Space Wire技术最初由欧洲航天局研发，为的是简化太空任务的执行。他们设计了一种很小、低能耗的微芯片，可以超过200M/s的速度传输Space Wire信号，或者比最高的高清电视直播速度快10倍。速度的提高让詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的4个科学仪器通过Space Wire网互相“对话”时，信息处理过程更加迅速。这意味着美国宇航局的下一个大型太空天文台将能捕获到太空中更多、更高清晰度的图像。9

制造完成近红外光谱仪近日，一个由德国Astrium公司领衔的工业团队完成了近红外光谱仪的建造工作，这是未来将会安装于詹姆斯·韦伯空间望远镜上的4台科学观测载荷之一。在德国奥特伯恩还举行了一个简单的庆祝仪式，纪念这台关键设备的建成。随后该设备被移交给欧洲空间局（ESA），欧洲空间局很快又便将这台价值超过2亿欧元的精密设备转交给了美国宇航局（NASA）。这台NIR Spec设备将会在9月20日被运往设在美国马里兰州的戈达德空间飞行中心，在那里它将被安装到望远镜镜体之上进行整合。Nir Spec设备在组装过程中将会被安装在詹姆斯·韦伯空间望远镜主镜面的后方，在升空之后它将在这里接收来自主镜面采集的光信号。随后光束会经过一个光栅，光线在那里会被分解为不同的色彩——光谱，同时探测器会对这些光谱信号进行接收并将其转化为电信号并传送回地面。到此为止，欧洲方面承担的詹姆斯·韦伯空间望远镜项目任务主要部分已经完成。此前，由欧洲方面承担的另外一台中红外探测仪设备，经英国设计并制造完成后已于2012年移交美方。2

分块主镜的安装已经过半近日，据美媒报道，美国研制的詹姆斯·韦伯太空望远镜的第 12 块镜片已安装在望远镜构架上，标志着韦伯太空望远镜分块主镜的安装已经过半，全部 18 块镜片安装工作预计在今年上半年完成。这意味着，耗资近 90 亿美元的韦伯太空望远镜离 2018 年发射更近了一步。710