造价10亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜: 天文学家在地球观测到韦伯太空望远镜:在星辰大海中前进

詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,缩写JWST)是美国航空航天局、欧洲航天局和加拿大航空航天局联合研发的红外线观测用太空望远镜,为哈勃空间望远镜的继任者 [1] 。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的质量为6.2吨,约为哈勃空间望远镜(11吨)的一半。主反射镜由铍制成,口径达到6.5米,面积为哈勃太空望远镜的5倍以上。它还能在近红外波段工作、能在接近绝对零度(相当于零下273.15摄氏度)的环境中运行。
当地时间2021年12月22日,美国国家航空航天局称由于法属圭亚那欧洲太空港的恶劣天气条件,原定于12月24日发射韦伯太空望远镜的VA256航班被推迟,新的发射日期为12月25日。 [16]
法国当地时间2021年12月25日13时15分(北京时间25日20时15分),美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁基地成功发射升空。 [17-19]

研发背景 从1996年开始,美国宇航局向全国招标,寻找这个极端精密的新式空间望远镜计划。竞标的四个机构分别是:美国宇航局/戈达德宇航中心、美国TRW公司、著名的洛克西德-马丁公司和美国鲍尔航空宇宙公司。最后,TRW公司经过严格筛选终于夺帅。 詹姆斯·韦伯空间望远镜作为美国宇航局史上最复杂的项目之一,其风险是巨大的,和“哈勃太空望远镜”不一样的是,“詹姆斯-韦伯”因为距离地球太遥远无法派宇航员进行维修保养,所以它的设计制造必须完美无缺,否则将功亏一篑!未来的系统集成测试中还可能发现未知问题,一旦测试遇到困难,就会导致发射被推迟。如果韦伯望远镜能够顺利进入轨道服役,可展示其强大的观测能力。 [8] 詹姆斯·韦伯空间望远镜项目启动于1996年,起初称为“下一代空间望远镜(Next Generation Space Telescope,NGST)”,2002年改为现名,以纪念美国国家航天局的第二任局长詹姆斯·韦伯(James Webb)在阿波罗计划中发挥的关键性领导作用。 “詹姆斯·韦伯”这个名字是取自美国宇航局第二任局长詹姆斯·韦伯——在韦伯担任美国宇航局(NASA)领导人时美国的航天事业掀开了新的篇章,其中包括探测月球和“阿波罗”登月计划等。因此,“詹姆斯-韦伯”一诞生,便寄托着人们的厚望。同“哈勃”相比,“詹姆斯-韦伯”更大、更精密,能勘测到更远的太空!它口径是“哈勃太空望远镜”的三倍,但质量只有哈勃的一半左右。它是一架没有镜筒的望远镜。 詹姆斯·韦伯望远镜是美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局的一个联合项目,也哈勃太空望远镜的继任者,将成为下一代空间天文台。它将是有史以来建造的最强大的太空望远镜,将提供宇宙中形成的第一个星系的图像,并探索遥远恒星周围的行星。 [2] 发射推迟 按原计划,韦伯望远镜本应在2007年发射,初始预算5亿美元 [20] ,但后因预算等问题不断推迟。 1998年,预算扩充至10亿美元,并将发射计划推迟至2008年。 2000年,预算扩大至18亿美元,发射推迟至2009年。 2002年,预算扩大至25亿美元,发射推迟至2010年。 2003年,发射推迟至2011年。 2005年,预算扩大至30亿美元,发射推迟至2013年。 2006年,预算扩大至45亿美元,发射推迟至2014年。 2008年,预算扩大至51亿美元。 2010年,预算扩大至65亿美元,发射继续推迟到2015年。 2011年,预算扩大至87亿美元,发射推迟至2018年。 2013年,预算扩大至88亿美元。 2017年,发射推迟至2019年。 2017年9月,美国航天局表示,詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射窗口将从2018年的10月推迟至2019年的3月至6月之间。 [3] 声明解释说,韦伯望远镜及其遮光板的体积和复杂性超过多数探测器,比如仅遮光板释放设备就要安装100多个,振动测试也要用更长时间,所以推迟到2019年春季从法属圭亚那库鲁航天中心用欧洲的阿丽亚娜5型火箭发射升空。 2018年,发射推迟至2020年。 2018年3月28日,美国航空航天局再次宣布韦伯在2020年之前不会发射升空。 [4] 5月6日,受一系列技术问题的困扰,JWST的最新发射日期已经被推迟到2020年。 [5] 6月29日,据国外媒体报道,哈勃望远镜的“接任者”詹姆斯·韦伯望远镜将推迟至最早2021年3月30日发射。 [6] 2019年,因新冠疫情,发射推迟至2021年,预算追加到97亿美元。 [20] 2021年10月12日,詹姆斯·韦伯空间望远镜成功抵达位于南美洲的法属圭亚那,原定于12月18日在欧洲航天局阿丽亚娜5号火箭上发射升空。 [9] 11月22日,NASA再次宣布詹姆斯 · 韦伯太空望远镜的发射时间从12月18日推迟到了22日。 [10-11] 12月,NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射再次被推迟。最新的计划是在2021年12月24日从法属圭亚那升空,比原计划晚了两天。 [12] 根据韦伯团队的声明,天文台和运载火箭系统之间仍然存在通信问题,这是导致此次发射推迟的主要原因。在此之前最近的一次延期是在三周前宣布的,当时NASA报告了运载火箭适配器存在夹紧问题。 [12] 截至12月18日,詹姆斯·韦伯太空望远镜最新完成封装工作,只待正式发射窗口。根据NASA、ESA最新消息,现已瞄准美东时间12月24日7:20(北京时间12月24日20:20)平安夜发射升空。按计划12月21日将转运至发射场。韦伯望远镜到达观测位置后,研究人员需再花费5个月对它开展各项检查,预计望远镜2022年6月底前可正式“上岗”。 [13] 当地时间2021年12月22日,美国国家航空航天局称由于法属圭亚那欧洲太空港的恶劣天气条件,原定于12月24日发射韦伯太空望远镜的VA256航班被推迟,新的发射日期为12月25日。美国国家航空航天局和阿丽亚娜空间公司于12月21日成功完成了詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射准备审查。该团队授权阿丽亚娜5号火箭携带韦伯太空望远镜,并开始执行发射任务,但因天气原因,执行中止。韦伯太空望远镜从1996年开始研发至今,因各种原因一直未能升空,被人们称为“鸽王”。 [14] [16] 詹姆斯-韦伯太空望远镜的18个镜面接近完成 在马歇尔航天飞行中心,接受低温测试 这些镜面让工作人员显得很小 詹姆斯-韦伯 发射安排 官方表示,在12月25日当天,目标发射的时间将尽量早于以下几个时间段:上午7点20分至52分之间(华盛顿时间);上午9点20分至52分之间(库鲁时间);晚上12点20分至52分之间(世界标准时间);晚上1点20分至52分之间(巴黎时间);晚上9点20分至52分之间(东京时间)。 [16] 法国当地时间2021年12月25日13时15分(北京时间25日20时15分),美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在法属圭亚那库鲁基地成功发射升空。这次发射使用了阿丽亚娜5号火箭,目前火箭已经进入最终轨道。如果一切顺利,詹姆斯·韦伯太空望远镜将在一个月之内进入太阳轨道,大约离地球100万公里。 [17-19] [22] 镜面系统 主镜 詹姆斯·韦伯望远镜的镜面系统包括主镜、次镜和三镜。虽然尺寸相对较小的次镜和三镜也都很有特色,但昂贵的主镜却是结构最复杂的,由许多个子镜拼接而成的。 镜面系统和精密偏转镜(FSM)是由鲍尔航空航天技术公司研制的,该公司是诺·格公司“光学技术和轻质镜面系统”的主承包商。“韦伯”的主镜直径高达6.5米,在天基望远镜中绝对算得上是巨大的。 主镜的直径的比发射它用的火箭更大。主镜被分割成18块六角形的镜片,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。但是,此法不会跟凯克望远镜一样,不必像地面望远镜那样必需根据重力负荷和风力的影响而要按主动光学来时常持续调整镜段,故詹姆斯韦伯太空望远镜除了初期配置之外将不会有太多改变。 主镜的镜面作为全体也形成六角形,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。 铍镜衬底 铍镜衬底使所有子镜可拼接成传统意义上的一面镜子。衬底厚度约为5cm,“前”反射面被高度抛光,“后”面被精密加工成比实心结构更轻的“蛋架型”结构。 反射面的表面粗糙度小于20nm,镀上的一层纯金薄膜也是为了提高其反射红外光线的能力。选择铍材料是因其极高的刚性和轻质特性,在“韦伯”极寒的运行温度下不易发生形变。 铍传力部件 铍衬底的另一面被安装在三角形、蛋架型的铍传力部件上。每个传力部件长约60cm、宽30cm,可用于分担来自底层结构的负载,来减少镜面失真。 铍三角构架 铍三角构架(BDF)是18块子镜的主要中间结构,三角形的构架宽约76.2cm,连接在作动器与反射镜、衬底或传力部件之间。 作动器 作动器是由精密马达和齿轮构成的精细结构,用于移动和调整反射镜表面形状。作动器可使18块子镜精确排布,像一面整镜一样对宇宙中的某一物体进行会聚成像。 18块子镜各含6台用于移动和转动作动器,全部子镜可利用作动器排布成一面巨大的整镜。另外,每块子镜都搭载一台特殊的作动器,一边直接连接镜背面中心,另一边通过长、薄的铍结构连接镜边缘。每台作动器可使18块子镜拥有完全相同的“曲率中心”,确保它们的焦点重合。 这些镜面作动器是“韦伯”众多新发明中的一个。它们能够通过纳米尺度的微小位移使镜面具备最佳的光学性能。另外,这些作动器必须在只比绝对零度高几十度的极端“制冷”温度下运行。 当“韦伯”在太空展开并冷却到运行温度后,地面站的工程师们将向所有作动器发送指令来调整所有的镜面,这一过程耗时两个月。随后,一旦“韦伯”开始全面运行并进行科学观测,每10到14天就要进行一次镜面调校工作。借助这项新技术,“韦伯”将成为首台采用主动控制拼接主镜的天基天文台。 接口柔性部件 底板接口柔性部件(BIF)接口将主镜连接到望远镜底板上,该底板支撑主镜全部的18块子镜。精密加工而成的柔性部件像精致的弹簧一样,可承受从室温到零下190度的温度变化引起的热胀冷缩。 除了这些连接到底板上的,每块子镜上的还有很多这种柔性部件。 [7] 支持装置 观测装置 NIRCam 近红外照相机 NIRSpec 近红外摄谱仪 MIR 中红外装置 FGS 精细导星传感器 遮阳装置 詹姆斯·韦伯空间望远镜的遮阳装置的SPF值达到100万,能够隔绝任何可疑的外部热源,保证望远镜能获得冷静的观测环境。美国宇航局的工程师已经展开了詹姆斯·韦伯空间望远镜的巨型遮阳装置的测试,进展顺利。 巨型遮阳装置面积非常大,接近一个网球场的大小,还有多层结构,美国宇航局在位于加利福尼亚州诺斯罗普格鲁门公司的洁净室中进行了展开测试。巨型遮阳装置不仅需要把太阳光挡在身后,还要有非常精确的定位装置,望远镜上的所有组件都会安装在巨型遮阳装置上,尽可能降低太阳光对观测的影响。来自美国宇航局戈达德中心的研究人员威廉·奥克斯认为,巨型遮阳装置为五层结构,像一把巨大的遮阳扇,可隔绝来自太阳的热量传递。 詹姆斯·韦伯空间望远镜的巨型遮阳装置 詹姆斯·韦伯空间望远镜的巨型遮阳装置 承担任务 编辑 播报 詹姆斯韦伯太空望远镜的主要的任务是调查作为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。为达成此目的,它配备了高敏度红外线传感器、光谱器等。 为便于观测,机体要能承受极限低温,也要避开太阳和地球的光等等。为此,詹姆斯韦伯太空望远镜附带了可折叠的遮光板,以屏蔽会成为干扰的光源。因其处于拉格朗日点,地球和太阳在望远镜的视界总处于一样的相对位置,不用频繁的修正位置也能让遮光板确实的发挥功效。 传承哈勃勃空间望远镜 2021年12月25日,万众期待的詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)在“鸽”了全人类14年之后,终于奔向宇宙。哈勃空间望远镜家喻户晓,因为是它是人类望向宇宙深处的第一道目光,向全人类展示了前所未有的宇宙图景。正所谓“老将不死,薪火相传”,NASA一直把韦伯空间望远镜当成哈勃空间望远镜的继任者来培养,视之为人类有史以来最强大的空间望远镜。

 

12月25日,詹姆斯·韦伯太空望远镜搭乘阿丽亚娜5型运载火箭,在法属圭亚那库鲁基地成功发射升空,前往日地拉格朗日L2点。

据外媒报道,随着韦伯太空望远镜的发射,这个目前最强太空望远镜的情况吸引着众人的关注,有天文学家就在地球观测到了它的动向。

报道中指出,来自虚拟望远镜项目(VTP)的天体物理学家吉安卢卡·马西(Gianluca Masi),正在使用机器人望远镜观测韦伯太空望远镜。

吉安卢卡将他观测到的一些图像合成了一个动态图像。图像显示,韦伯太空望远镜正在前往距离地球大约150万公里外的日地拉格朗日L2点。

而图中箭头所指的就是韦伯太空望远镜,正在宇宙的星辰大海中前行。吉安卢卡指出,当时望远镜距离地球约34万英里(约54700公里)。

据悉,根据美国航空航天局(NASA),由于阿丽亚娜5型运载火箭发射精度十分准确,节省了大量燃料,韦伯太空望远镜的寿命将超过5-10年的设计寿命,至少运行10年以上。

而随着成功扩展韦伯太空望远镜可展开塔组件 (DTA) 后,昨日(12月30日),工程师们释放了望远镜襟翼的压紧装置,弹簧升起襟翼,并释放了遮光罩。

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