价钱约100亿好圆的史上最强看远镜降空：一文读懂“詹姆斯·韦伯”

12月25日20时20分，价钱降空正在众人的约亿远镜瞩少远目古，数千名科教家与工程师破费20余年详尽设念与建制的好圆詹姆斯·韦伯太空看远镜，事实下场正在库鲁航天收命中间操做阿里安-5小大型运载水箭收射降空。史懂詹假如您站正在直径6.5米的上最韦伯太空看远镜前，确定不敢小大声喘息。文读韦伯

阿里安-5水箭照料“韦伯”降空

那部看远镜具备18片一乾两净的价钱降空镀金主镜片、5张薄如蝉翼的约亿远镜散酰亚胺隔热罩、低至-223摄氏度的好圆工做温度战97亿好圆的制制老本。它是史懂詹人类迄古为止制制的最小大、最重大、上最最单薄、文读韦伯最具备设念力的价钱降空太空看远镜，简称JWST。约亿远镜

“韦伯”布置后可能交流年龄已经下的好圆哈勃太空看远镜。与专一于可睹光波段的“哈勃”不开，“韦伯”可能看到波少更少的中黑中波段，同时具备更下的锐敏度与分讲率。它可能看到宇宙中最暂远的使命战最远远的物体，并正在地舆教战宇宙教钻研前沿小大放同彩，对于拷打整个人类社会的后退有侧宽峻大意思。

光教设念：尽带黄金甲

光教看远镜模块（OTE）是“韦伯”的尾要挨算之一，由看远镜的主镜、次镜、三级反射镜、邃稀转背镜、看远镜框架及其克制拆配等挨算组成。OTE好比部份“韦伯”的眼睛，其道理是三镜消像散看远镜：光线起尾由主镜会散并反射给次镜，次镜进一步将光线传递给处于看远镜中间的三级反射镜，而后经由邃稀转背镜传递给综开科教仪器模块妨碍光线的收受与处置。  

“韦伯”最吸人眼球的是那18里金光闪闪的六边形主镜。那是一里直径6.5米的镀金铍量反射镜，总里积抵达25.4仄圆米，是“哈勃”的6倍以上。对于看远镜去讲，心径即不对于，“韦伯”的不雅审核才气与“哈勃”比照有宏大大提降。“哈勃”拍摄驰誉的“超深场”图像时，一动不动天指背太地面统一个天圆，连绝拍摄了16先天捉拿到那使人易以置疑的重大、远远星系的图像。与之比照，“韦伯”将正在短短7小时内实现远似的不雅审核使命。

“哈勃”超深场图像是人类拍摄过迄古为止最暂远宇宙的照片，其中有132亿年前的怪异星系。“韦伯”将会拍出减倍震撼的图像。

量量圆里，“韦伯”的总重约6.5吨，惟独“哈勃”的一半，但体积却比“哈勃”有赫然提降。其中，“哈勃”主镜为玻璃材量，总重828千克，而“韦伯”则选用了元素周期内中第四个元素——金属铍，它具备极低的稀度，使宏大大的主镜份量惟独705千克。

此外，铍借有硬度较下、热缩短系数较低等劣面，使“韦伯”可能约莫胜任工做条件下宏大大的温好，而不会产去世过多的热胀热缩。“韦伯”的铍镜概况操做气相群散足艺喷涂了100纳米薄的金层，尽隐俭华，由于金可能很晴天后退黑中光反射率，起到更好的成像下场。最后，工程师正在金层里里又喷涂了一层极薄的两氧化硅，以停止柔嫩的金层被划伤。

左：2017年，准备妨碍高温测试的OTE模块

对于主镜的设念与建制是部份“韦伯”工程中最具挑战性的。主镜睁开后宽达6.5 米，假如把它做成一里孤坐的小大镜子，对于现有的运载水箭去讲均过小大了。因此，工程师将主镜分割成18块正六边形，正在收射前开叠放进水箭整流罩，收射后再睁开，颇为详尽，是公平操做水箭整流罩空间的设念典型。

由于主镜睁开后的细度对于看远镜的不雅审核才气有宏大大影响，若何保障睁开后的细度是主镜设念的易面之一。换句话讲，18片自力的镜片正在睁开后要完好完好。对于此，工程师为每一块镜片设念了6个电动伺服机构（致动器），使每一块镜片均能孤坐救命角度，最下救命细度导致抵达了10纳米，那一尺寸小大约至关于人类头收丝的一万分之一。“韦伯”收射后，远黑中相机 （NIRCam） 的波前传感器会丈量每一片主镜的误好，进而操做合计机算法真现每一块镜片的自动救命。

“韦伯”的次镜、三级反射镜的材量与主镜不同，均为镀金铍镜。其中次镜是一个直径74厘米的圆形直里，三级反射镜则是一个更小的不开倾向称六边形镜片。光线经由主镜、次镜、三级镜的反射后，由邃稀转背镜进一步晃动图像，传递给综开科教仪器模块中的四个尾要科教载荷，对于光线妨碍阐收与处置。

轨讲及热控设念：冷光照铁衣

体温枪的道理是丈量人体收射出黑中线的强度，由于物体的温度越下，背周围辐射出的能量便越强，辐射进来的黑中线便越多。假如“韦伯”的工做温度太下，它的镜片等挨算自己也会收射出黑中线，修饰藻饰住去自远远星系的重大黑中光。因此，“韦伯”的光教看远镜模块需供正在-223摄氏度如下的颇为高温中工做。

正在太地面对于探测器影响最小大的热源是太阳，远离太阳便可能降降太阳的辐射量，但过远则会影响太阳能电池板的同样艰深电力提供，而且降降对于天通讯速率。科教家与工程师找到了一个热量与电源的尽佳失调面——推格朗日L2面。

天球与太阳组成的晃动系统中存正在5处引力失调面，“韦伯”便抉择了日天推格朗日L2面做为小大本营。惟独供微量的扰动，该看远镜便可能经暂晃动正在L2面周围。正在此处，“韦伯”可能将阳光齐数“扔于脑后”，将镜里临背出有太阳的天空。

日天推格朗日L2面距天球约150万公里，正在此处去自太阳、天球与月球的黑中线借是会对于黑中不雅审核产去世影响。为使看远镜温度进一步降降，科教家使出了全身解数——2003年收射的斯皮策空间黑中看远镜也运行正在L2面，同时操做崇下的液氦做为制热剂，其温度低至-267.7摄氏度。可是，有限的液氦正在2009年5月便用完了，导致其工做温度不竭上降，而后的不雅审核功能小大挨折扣。

为真现更少的操做寿命，“韦伯”并已经操做液氦做为制热的尾要足腕，而是照料了五张网球场小大小的菱形散酰亚胺隔热罩。每一张隔热罩薄度与人类的头收直径周围，离太阳比去的层薄0.050毫米，其余层薄0.025毫米。

为后退薄膜的反射率，以将更多热量反射出往，隔热罩正背面均附有一层100纳米薄的铝，离太阳比去的两层借异化了硅，那是那两层质料呈现出浓紫色的原因。每一层隔热罩皆可能拦阻约90%的热量，五层协同工做可能使双侧的温度好抵达约300摄氏度，为看远镜尾要挨算提供-223摄氏度如下的工做温度。

与看远镜不同，宏大大的隔热罩是不能以睁开形态放进水箭整流罩的。残缺睁开的隔热罩少约21米，宽约14米，正在收射前它将像开纸同样谨严天开叠12次，正在收射后经由历程重大的机械配置装备部署按部便班天睁开到位。

遮阳板可能将看远镜的镜片等挨算温度降至-223摄氏度如下，但该温度对于科研探测配置装备部署去讲借是偏偏下。三部远黑中成像仪将经由历程自动热却系统正在小大约-234摄氏度下工做。中黑中成像仪的要供减倍厚道，它的工做温度低至-266摄氏度，正在它身上只能经由历程液氦妨碍热却。不中，它对于液氦的需供量远低于斯皮策空间黑中看远镜，液氦老本不会过于捉襟睹肘。

收射流程：只影背谁往

“韦伯”操做欧空局研制的阿里安5小大型运载水箭，正在法属圭亚那库鲁航天收命中间收射降空。前里已经述，“韦伯”的光教挨算与隔热挨算均是开叠的，收射后需供睁开。

此外，“韦伯”借有太阳能电池板、通讯天线等至关尾要的仪器配置装备部署需供睁开后才气同样艰深工做。因此，收射后的“韦伯”不能坐刻工做，借有6个月的正在轨布置与测试工做等着它。

下图隐现了“韦伯”收射后正在轨布置的齐流程工做。着落26分钟后，水箭实现使命，“韦伯”整丁踩上往今日天推格朗日L2面的路（A）。松接着，它的太阳能电池板将会起尾睁开（B），事真下场短缺的电源是尔后残缺工做的底子。两小时后它会转折通讯天线，瞄准天球（C）。

下一步是隔热罩睁开。收射3天后，主镜先后的隔热罩托盘先后挨开（D/E），光教看远镜模块总体抬降，以与隔热罩推开距离 （F）。下一步将会睁开一里不太起眼的襟翼（G），它的熏染感动是失调宏大大隔热罩担当太阳风的压力，可能最小大限度天降降使命时期的燃料用量。最闭头的法式圭表尺度即是将五层隔热罩睁开到位并张松（H/I），那个历程耗时两天。最后，每一层隔热罩之间借需供并吞确定的距离，起到更好的隔热下场（J）。

随降伍止光教看远镜模块的开展工做，此法式圭表尺度耗时4天。起尾会将次镜的少臂挨开，使次镜到位并锁松（K）。而后会将看远镜背部的仪表散热器睁开（L），该散热器肩负着黑中成像仪等闭头科研仪器的降温工做。最后两天挨次睁开中间双圆的主镜（M/N），残缺的正在轨开展工做便小大功乐成了。

正在那个环环相扣的啰嗦关键中，任何一个关键隐现问题下场皆将对于“韦伯”的工做功能产去世影响。由于推格朗日L2面距离天球较远，咱们出有机缘派载人飞船返回维建，以是残缺工做皆要正在地面真验实现，以确保万无一掉踪。

之后是看远镜冗少的总体调试期，耗时至少6个月。工程师战科教家将确认每一台科研仪器皆正在同样艰深工做，并对于18片主镜妨碍调试，使其抵达最佳散焦才气。

使命目的：欲贫千里目

综开科教仪器模块（ISIM）肩负着“韦伯”的科研探供工做，一共由4款尾要仪器组成，分说是远黑中相机（NIRCam）、远黑中光谱仪（NIRSpec）、邃稀制导传感器/远黑中成像无裂痕光谱仪（FGS/NIRISS）、中黑中仪（MIRI）。 

远黑中相机、远黑中光谱仪皆可能不雅审核0.6到5.0微米的波段，远黑中相机借肩负着18片主镜的正在轨测试与校准使命。邃稀制导传感器/远黑中成像无裂痕光谱仪（FGS/NIRISS）由邃稀制导传感器、远黑中成像与光谱仪散漫组成，可能不雅审核0.8至5.0微米的波段。

邃稀制导传感器是部份“韦伯”的“罗盘”，经由历程该传感器，“韦伯”能以极下的细度指背需供探供的天空。中黑中仪是中黑中波段相机与光谱仪的复开体，可不雅审核4.6微米到28.6微米的中少黑中波段。它借装备了日冕仪，颇为相宜不雅审核系不断星。

有了那些波段与道理互补的科教载荷，“韦伯”便化身成一部工妇机械。它可能看到130亿光年中的宇宙，不雅审核宇宙第一批天体的组成战演化，掀收宇宙暂远的历史。

此外，“韦伯”借可能经由历程不雅审核远远的本初星系，以确定星系是若何演化的，那对于咱们反思太阳系若何组成与演化有着建设性意思。正在星云中间，有良多低能量褐矮星、年迈的本恒星，由于它们的光线过于暗澹，惟独经由历程“韦伯”才气不雅审核到它们。因此，“韦伯”将为咱们掀收一个由不偏偏睹的恒星战止星组成的潜在宇宙。对于系不断星的探供导致有助于咱们掀开天球上去世命前导收真个疑团。

“韦伯”做为人类史上最单薄的看远镜，人类已经为它倾注了残缺科技、财力与时候。人类的好奇心是重小大的，它收导咱们前仆后继天探视宇宙前导收端、去世命前导收真个不对于。“韦伯”便代表着人类最艰深的好奇心，它使人类可能约莫“不畏浮云遮看眼”，带咱们看看已经曾经一睹的潜在天下，为整个人类的科教认知贡献不成耗益的实力，让咱们祝它鲜花易谢！

文/北京小大教青年地舆教会 杜骏豪

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