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“建造一些东西这绝对会起到积极的作用。”这是美国国家航空航天局（NASA）授权设计和建造的詹姆斯·韦伯（James Webb）太空望远镜，宽6.5米，是历史上最大的太空望远镜。去年12月，JWST成功推出到它的观测站在月球之外据美国国家航空航天局（NASA）称，JWST最快将于下周完工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）回忆道，美国宇航局（NASA）的工程挑战是对一支由数千人组成的全球团队的号召，这支团队致力于创造人类历史上最雄心勃勃的科学仪器之一。位于加利福尼亚州山景城的Synopsys公司的Kahan-chief光电系统工程师以及JWST“维修队”（如他所称的团队）中的许多其他人从三十年前的惨痛教训中吸取了教训，他们帮助修复了另一台世界级的太空望远镜，该望远镜的光学系统存在缺陷。当然，哈勃太空望远镜位于近地轨道，因此需要执行一项特殊的太空飞船任务来安装校正光学元件(就像1993年发生的那样)完全有可能。
JWST并非如此。
NASA对JWST设计师的细致关怀更是必不可少的，因为Webb是维修人员无法触及的。它的任务是研究红外宇宙，这需要保护望远镜及其传感器免受太阳光的热量和地球的红外辉光的影响。在距离地球不太远的情况下，一个很好的选择是在一个物理学家称之为第二拉格朗日点或L2.
卡汉说，维修人员的工作是“在细节层面，对光学设计的每个关键方面进行错误检查”。在从哈勃望远镜那里学到了困难的方法之后，研究人员坚持认为，韦伯光学系统的每一次测量都至少要用两种不同的方法进行，这两种方法都可以进行检查和交叉检查。卡汉说，诊断是建立在这个过程中的，这样“你就可以看看他们要踢什么”来解决任何差异。他们的工作必须在地面进行，但他们的测试必须评估望远镜在低温下如何在深空工作。
主镜的三项新技术
表面上，韦伯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次镜上，次镜将其发送到第三个镜子，第三个镜子最终将光引导到记录图像和光谱的仪器上。
韦伯的6.5米主镜是第一个发射到太空的分段镜。所有的光学元件都必须在室温下的地面上制作，但都部署在太空中，并在绝对零度以上30至55度的温度下工作。“我们必须开发三项新技术”才能使其发挥作用李·D·芬伯格美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心（NASA Goddard Space Flight Center）的负责人，他是韦伯过去20年的光学望远镜元件经理。
哈勃望远镜必须应对的最长波长是2.5微米，而Webb旨在观察波长延伸至28微米的红外光。与哈勃相比其主镜是一个面积为4.5平方米的圆形，“韦伯的主镜必须是25平方米，”范伯格说。韦伯还“需要轻质的分段镜，其质量是一个巨大的考虑因素，”他补充道。发射JWST的Ariane 5火箭上没有能够提供所需分辨率的单组件反射镜。这意味着镜子必须被制成碎片，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，以创建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（James Webb）太空望远镜（左）和哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）与哈勃2.4米直径的镜子并排放置，而韦伯的六角形镜子阵列形成6.5米直径的集光区域。NASA戈达德太空飞行中心
NASA和美国空军在用于监视和聚焦激光能量的大型轻型太空镜方面有自己的利益，合作开发该技术。这两个机构将八份提交的提案缩小为两种建造JWST镜子的方法：一种是基于由二氧化硅和二氧化钛的混合物类似于哈勃望远镜和其他望远镜中使用的轻但剧毒的金属铍。最关键的问题在于，这些材料能够承受从地面室温到太空50K左右的温度变化。铍之所以获胜，是因为它可以在冷却后完全释放应力，而不会改变形状，而且它不容易受到玻璃中可能出现的裂纹的影响。最终的铍镜是由18块六角铍镜组成的6.5米阵列，每个重约20公斤。JWST镜子的单位面积重量仅为哈勃望远镜的10%一层100纳米的纯金使表面能够反射JWST 0.6至28.5μm主观察带中98%的入射光。“纯银的反射率略高于纯金，但金的反射率更高，”范伯格说。一层薄薄的无定形二氧化硅保护金属膜免受表面损伤。
此外，波前传感控制系统可保持镜片表面对齐到几十纳米以内该系统建造在地面上，预计将在望远镜的整个使用寿命内保持镜面对准稳定。A类背板保持在35 K的温度下，望远镜和仪器的所有2.4吨的重量都稳定在32 nm以内，同时在观测期间保持在低温下。
JWST背板是支撑整个六边形反射镜结构的“脊柱”，承载着2400多公斤的硬件，已准备好组装到望远镜的其余部分。NASA/克里斯·冈恩
通过使用陀螺仪和反作用轮，哈勃望远镜可以拍摄到遥远星系的长时间曝光的惊人图像。陀螺仪用于感应不需要的旋转，反作用轮用于抵消旋转。
但哈勃望远镜上使用的陀螺仪记录不佳，不得不多次更换。哈勃六个陀螺仪中只有三个今天仍在运行，美国宇航局已经制定了计划，在降低能力的情况下使用一个或两个陀螺机。哈勃望远镜还包括反作用轮和磁性扭矩器，用于在需要时保持其方向或指向天空的不同部分。
韦伯同样使用反作用轮在天空中旋转，但不是使用机械陀螺仪来感知方向，它使用半球谐振陀螺仪，没有活动部件。韦伯在光路中还有一个小的精细转向镜，它可以在5弧秒的角度上倾斜。对进入仪器的光路进行非常精细的调整，可以使望远镜对准目标。“这真的是一种很棒的方式，”范伯格说，并补充道，它可以补偿少量的抖动，而无需移动整个6吨重的天文台。
仪器
其他光学元件将来自精密转向镜的光分布在四个仪器之间，其中两个仪器可以同时进行观察。三种仪器都有传感器，可以观测0.6至5微米的波长，天文学家称之为近红外。第四个被称为中红外仪器（MIRI），它观察天文学家所称的中红外光谱，从5到28.5微米。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。（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显冷淡。这两组人在标记红外光谱的不同区域方面有不同的约定。）
中红外波长对观测至关重要年轻恒星和行星系统和最早的星系但它们也带来了一些最大的工程挑战。也就是说，地球上的一切和木星外的行星都在中红外波段发光。因此，为了让JWST观测遥远的天文物体，它必须避免记录来自太阳系内所有不同来源的外来中红外噪声。MIRI的仪器科学家Alistair Glasse表示：“我在整个职业生涯中都在制造波长为5μm或更长的仪器。”爱丁堡皇家天文台“我们一直在与热背景作斗争。”
山顶望远镜可以看到近红外，但观察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线蒙上阴影，除非将望远镜冷却到远低于室温，否则望远镜本身也会蒙上阴影。充足的液氦供应和远离地球的轨道使得斯皮策太空望远镜的持续的主要观测任务五年来，但一旦最后一种低温流体在2009年蒸发，其观测范围仅限于波长小于5μm的波长。
韦伯有一个精心设计的太阳屏蔽层来阻挡阳光，距离地球150万公里的轨道可以将望远镜保持在55K以下，但这对于波长超过5微米的低噪声观测来说还不够好。近红外仪器在40 K下工作，以最大限度地减少热噪声。但对于28.5μm的观测，MIRI使用了一种专门开发的闭式循环氦制冷机，将MIRI冷却到7 K以下。“我们希望敏感度受到散粒噪声Glasse说。(当光或电信号微弱到每个光子或电子都构成可检测的峰值时，就会产生散粒噪声。)这将使MIRI在中红外波段的灵敏度是Spitzer的1000倍。
另一个挑战是中红外光学材料的透明度有限。“我们尽可能使用反射光学，”Glasse说，但这也带来了问题，他补充道。“热收缩是一个大问题，”他说，因为该仪器是在室温下制造的，但使用温度为7K。为了保持整个MIRI的热变化均匀，他们制作了镀金铝的整个结构，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分辨率为2048 x 2048像素的碲镉汞光电探测器。这种分辨率在波长低于5μm时被广泛使用，但在MIRI需要更长的波长仅限于提供1024x1024像素的奇异探测器。
Glasse表示，调试“进展得非常顺利。”尽管检测到了一些杂散光，但他表示，“我们完全期待实现所有科学目标。”
NIRCam对准整个望远镜
用于观察波长小于5μm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）通过记录图像和对齐整个望远镜中的所有光学元件来完成双重任务。NIRCam首席研究员表示，这种校准是构建仪器最棘手的部分马西娅·里克亚利桑那大学。
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Webb来说至关重要，因为它有18个独立的部分，必须在最终的图像中完美地覆盖它们的图像，并且因为所有这些部分都是在室温下建造在地面上，但在零重力下在太空中的低温下运行。当韦伯第一次打开主镜后，NASA记录了一张单星的测试图像，它显示了18个单独的亮点，每个部分一个。3月11日完成对准后，NIRcam拍摄的图像显示，一颗恒星有六个由衍射引起的尖峰。
即使在执行仪器校准任务时，JWST也忍不住要展示其对红外天空惊人的灵敏度。中央恒星是望远镜技术人员用来对准JWST镜子的恒星。但请注意，遥远的星系和恒星也对图像进行了光弹轰炸！NASA/STScI
Rieke意识到，建立一个单独的对准系统将增加Webb的重量和成本，在1995年最初的望远镜计划中，她建议设计NIRCam，以便在望远镜进入太空后能够对准望远镜光学元件并记录图像。“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。她补充道，从科学的角度来看，使用该仪器校准望远镜光学系统“很好，因为你知道你将获得良好的图像质量，并且它将与你对齐。”校准对于其他仪器来说可能只是稍微有点偏差。最终，洛克希德·马丁公司的一个团队开发了计算工具来计算热膨胀的所有元素。
成本上升和延误多年来一直困扰着Webb。但对范伯格来说，“调试是一个神奇的五个月。”这始于阳光照射镜子的情景。分割后的镜子平稳地展开，在近红外相机冷却后，镜子将一颗星聚焦成18个点，然后将它们对齐，使这些点相互重叠。他说：“一切都必须努力才能让它（聚焦）得那么好。”。这是一段紧张的时期，但对于哈勃修复任务的老兵范伯格来说，调试韦布是“小菜一碟”
美国国家航空航天局宣布，在5月23日至25日期间，主镜的一部分被一个比该机构预计的还要大的微陨石所遮蔽当它分析这些影响的潜在结果时。“随着时间的推移，情况确实会恶化，”范伯格说。但他补充说，韦布的设计是为了最大限度地减少损失美国国家航空航天局表示，这起事件并未影响韦伯的运行计划。
2022年7月26日至28日更正：故事已更新a） 以反映这样一个事实，即韦伯现在绕其轨道运行的拉格朗日点L2并非“地-月系统”（正如故事最初报道的那样）而是地球-太阳系统
以及b）纠正原始帖子中关于Webb硬件的错误陈述，以控制其方向。
2022年8月12日更正：Alistair Glasse的名字在这个故事的前一个版本中拼写错误，就像NIRCam（我们拼写为NIRCam）一样；Webb的第三个镜像（我们最初只报告了它的主镜像和次镜像）在这个版本中也被调用了。
这篇文章发表在2022年9月的印刷版上，名为“宇宙机器内部”
