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【图集】聚焦詹姆斯·韦伯空间望远镜:耗资100亿美元,可观察宇宙的婴儿期

“如果你把这么强大的东西送入太空,谁知道我们能找到什么?”

编辑 | 蔡星卓

当地时间7月12日,美国国家航空航天局(NASA)正式公布了詹姆斯·韦伯空间望远镜拍摄的一批全彩色照片,一时引起了公众的广泛关注。

詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,简称JWST),其名称来自NASA的第二任局长詹姆斯·E·韦伯(James E. Webb)。韦伯天文台(Webb observatory)被形容为美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(Canadian Space Agency)有史以来最雄心勃勃的太空天文台。

韦伯望远镜的前身是“下一代空间望远镜”(NGST)。2002年9月,它以美国宇航局前局长詹姆斯·E·韦伯的名字重新命名。这台太空望远镜精致的蜂窝状铍镜面直径超过20英尺,旨在观察130亿光年以外的天体。在距离地球超过100万英里的地方,韦伯太空望远镜被设计“用来回顾宇宙的起源”。

值得一提的是,韦伯空间望远镜开发了几种创新技术。其中包括由18个独立的部分组成的主镜,镜子是由超轻铍制成的,它在发射后展开并调整形状。韦伯最大的特色是一个网球场大小的五层遮阳板,它能将来自太阳的热量衰减100万倍以上。望远镜的四种仪器——照相机和光谱仪——都有能够记录极微弱信号的探测器。同时,它还包含一种有可编程的微快门的仪器(NIRSpec),可以同时观测多达100个物体。韦伯还有一个低温冷却器,用于将另一种仪器(MIRI)的中红外探测器冷却到非常低的程度,以便它们能够工作。

据NASA介绍,韦伯太空望远镜将专注于四个主要领域:宇宙中的第一束光、早期宇宙中星系的聚集、恒星和原行星系的诞生,以及行星(包括生命的起源)。《科学》(Science)在2016年的报道中提到,韦伯望远镜是NASA有史以来尝试过的最大、最复杂、最昂贵的科学任务,天文学家和公众的期望都很高。韦伯望远镜的灵敏度将是哈勃太空望远镜的100倍。它将能够观察宇宙的婴儿期,第一个星系形成的时候;它可以研究恒星的诞生及其行星系,并分析系外行星的大气层,甚至可能探测到生命的迹象。然而,就像哈勃望远镜一样,韦伯望远镜的建造也受到了重新设计、进度延误和成本超支的困扰,这些问题使其与承包商、加拿大和欧洲的合作伙伴,以及最关键的美国国会的支持者关系紧张。

或许就像华盛顿特区大学天文学研究协会主任,前JWST望远镜科学家Matt Mountain描述的那样:“如果你把这么强大的东西送入太空,谁知道我们能找到什么?这将是革命性的,因为它是如此强大。”

1961年11月3日,在华盛顿特区新开放的NASA总部,在前NASA局长詹姆斯·韦伯(右)的陪同下,美国前总统杜鲁门(左)正在参观。
当地时间2005年9月1日,詹姆斯·韦伯太空望远镜的全尺寸模型在戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的草坪上组装,团队与它的合影很好地展示了它的规模。(图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center/Pat Izzo)
2010年7月13日,在低温测试中,镜子将被置于24开尔文的温度下,工程师可以非常详细地测量每一面镜子在冷却过程中形状的变化。(图片来源:NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given)
2013年7月27日,詹姆斯·韦伯太空望远镜的主要成像仪——近红外相机的光学模块抵达马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心。(图片来源:NASA/Goddard)
2014年7月10日,美国加州,韦伯太空望远镜遮阳罩的测试装置被堆叠和拓展。遮阳板是该天文台最大的部分——五层薄膜必须在空间中可靠地展开,以达到精确的公差。(图片来源:NASA/Chris Gunn)
2014年7月14日,美国华盛顿,美国宇航局举行发布会,讨论“在星际中寻找适宜居住星球的科技路线图”计划。据悉,NASA此项宏伟计划,将通过詹姆斯·韦伯太空望远镜实现,后者将于2018年部署。
2015年1月,工程师们在一个干净的房间里,用二氧化碳雪清洁詹姆斯·韦伯太空望远镜的镀金测试镜。(图片来源:NASA/Goddard/Chris Gunn)
2016年4月25日,美国宇航局戈达德的詹姆斯·韦伯太空望远镜主镜被揭开,准备安装仪器。(图片来源:NASA/Chris Gunn)
2016年5月2日,詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜。(图片来源:NASA/Chris Gunn)
2016年5月,这个硬件被称为“核心-2”,是“天文台核心”(observatory core)的测试模型。“天文台核心”是詹姆斯·韦伯太空望远镜与宇宙飞船相遇的部分。通过观测站的大部分热流发生在这个核心区域,所以这个区域必须进行广泛的热测试。(图片来源:NASA/Goddard/Desiree Stover)
2016年11月2日,美国马里兰州美国宇航局戈达德太空飞行中心,NASA行政管理官员查尔斯·伯尔登和科学家John Mather回答记者提问。
2017年4月13日,美国马里兰州,格林贝尔特的戈达太空飞行中心,技术人员使用起重机举起詹姆斯·韦伯空间望远镜的镜子。
2022年1月8日,美国马里兰州巴尔的摩,NASA团队庆祝这一时刻。美国宇航局(NASA)展开了詹姆斯韦伯太空望远镜巨型主镜的第二个“机翼”,使集光结构达到了最大尺寸,这标志着整部望远镜的部署全面完成。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的“自拍”。2022年3月16日,NASA宣布,詹姆斯韦伯太空望远镜3月11日完成镜面校准,NASA韦伯望远镜团队预计,韦伯望远镜光学性能将达到或超过设立的科学目标。韦伯的光路没有严重问题,也没有可测量的污染或堵塞。该天文台能够成功收集来自遥远天体的光线,并将其传输到仪器上。
2020年3月5日,美国加州雷东多海滩,NASA提供的照片显示了詹姆斯·韦伯空间望远镜在诺斯罗普·格鲁曼设施测试期间的主镜组装。为了进行开创性的科学探索,韦伯的主镜必须足够大,以至于其不能以完全扩展的形式容纳在任何火箭中。像折纸艺术一样,韦伯是采用应用材料科学的活动部件集合,这些活动部件经过专门设计,可以将自己折叠成紧凑的结构,该结构比望远镜完全部署时小得多。这样一来,能让其装在16英尺(5米)有效载荷的整流罩内,几乎占满整个空间没有留余地。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的韦伯望远镜元件经理Lee Feinberg说:“在完全组装好的望远镜上部署两个翼是另一个重要的里程碑,表明韦伯在太空中的正确部署。对于整个团队来说,这是一个巨大的成就,并且是鼓舞人心的。”
2021年12月11日,法属圭亚那库鲁,詹姆斯·韦伯太空望远镜在圭亚那航天中心接受测试。
2021年12月25日,法属圭亚那,携带詹姆斯·韦伯太空望远镜的阿丽亚娜5号火箭于圣诞节当日发射升空。
2021年12月25日,法属圭亚那,携带詹姆斯·韦伯太空望远镜的阿丽亚娜5号火箭于圣诞节当日发射升空。

 

 *资料来源:NASA官方网站,美国波士顿公共广播电台(WBUR),《科学》(Science);除特殊标注外,文中图片均来自视觉中国

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