詹姆斯·韦伯太空望远镜完成关键测试,将成未来主要红外空间观测站

近日,美国航空航天局(NASA)发布消息,宣布詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)完成了环境测试,通过了从火箭发射到太空运行的多个严苛测试。

JWST是NASA、欧洲航天局(ESA)和加拿大航空航天局(CSA)联合研发的红外观测用太空望远镜,是哈勃空间望远镜(HST)和斯皮策空间望远镜(SST)的继任者。

该望远镜的主要科学任务是寻找大爆炸后宇宙中形成的第一颗恒星和星系的光,研究星系的形成和演化,了解恒星和行星系统的形成以及研究行星系统和生命的起源。

JWST原计划耗资5亿美元,计划于2007年发射,但由于预算严重超支,发射时间数次推迟,最新预估总耗费高达96.6亿美元,发射时间目前定为2021年3月30日,发射计划地点为圭亚那太空中心,由亚利安五号火箭运载升空。

此项目曾被称为“新一代太空望远镜”(Next Generation Space Telescope),2002年更名,以美国宇航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。

JWST携带了四个观测装置:近红外热像仪、近红外光谱仪、中红外装置和精细导星传感器。

近红外热像仪是一种红外成像仪,其光谱覆盖范围从可见光(0.6 μm)到近红外(5 μm)。近红外热像仪还将作为韦伯望远镜的波前传感器。

近红外光谱仪提供三种观察模式:使用棱镜的低分辨率模式,R~1000多物体模式和R~2700积分场单元或长缝光谱模式。

中红外装置包含中红外相机和成像光谱仪,将测量5至27 μm的中红外波长范围。该装置由NASA和欧洲国家财团合作开发,亚利桑那大学和英国天文技术中心共同研制。

精细导星传感器用于控制航天器的整体方向,也用于驱动精细转向镜以实现图像稳定。

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,因此JWST附带了可折叠遮光板(面积与网球场相当),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JWST三者的视界总处于一定的相对位置,遮光板无需频繁修正位置即可发挥作用。

JWST的镜面系统包括主镜、次镜和三镜。其中其主镜结构最为复杂,造价最昂贵,由许多个子镜拼接而成的,形式蜂房结构

JWST全尺寸模型图(黄色部件就是主镜)

主反射镜由金属铍制成,可以在绝对为零的情况下正常工作,口径达到6.5 m。

主镜的镜片排成六角形,聚光部和镜面都露在外面,容易让人联想到电波望远镜的天线。另外,其主体也不呈筒状,而是在主镜下展开座席状的遮光板(图中下部浅色部分)。

主镜直径比发射用的火箭还大。主镜被分割成18块六角形的镜片,每个镜面的抛光误差不得超过10 nm;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。

每块镜片背部都装有7个马达,能够在10 nm的精度内调整镜片的形状和方向。发射后这些镜片会在高精度的微型马达和波面传感器的控制下展开。

JWST质量为6.2吨,约为哈勃太空望远镜(11吨)的一半;主镜直径为哈勃的2.7倍,面积为其5倍以上。JWST被称为是有史以来最强大的太空望远镜,其优势不仅体现在其体积。

哈勃望远镜目前观测到离地球最远的星系是GN-z11。科学家认为,这是一个仅在宇宙诞生四亿年后才出现的星系。这是哈勃的极限观测距离。而JWST预计可以观测到宇宙诞生1亿年后的星系。

哈勃望远镜无法观测到波长超过1 mm的光,但JWST的观测范围更广,可以观测到波长为30微米的光,其集光能力也是哈勃望远镜的6倍以上。

JWST位于处于拉格朗日点,距离地球150万公里(哈勃望远镜距地表仅约600公里),由于其位置特殊,重力相对稳定,可以与邻近天体保持相对静止的状态,无需频繁进行位置修正,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。

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