北京时间2021年12月25日20:20,“詹姆斯・韦布”空间望远镜(JWST)在法属圭亚那,由阿丽亚娜5号运载火箭发射升空。

詹姆斯・韦布空间望远镜升空瞬间|图源:NASA

被大家戏称为“鸽王”的詹姆斯・韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope, JWST) 终于在12月25日20:20(北京时间)发射升空。作为有史以来最大最强的空间望远镜,韦伯的有效直径达到6.5米,由18个六边形的凹面镜组合而成,巨大的尺寸使它能够观测到非常暗弱的天体。它的名字来源于美国宇航局(NASA)的第二任局长,阿波罗登月时期的美国宇航局就是由他领导的 ,可能也是希望它带来登月级别的突破吧。

詹姆斯・韦布 bu[空间望(wang)远镜|图源:NASA

01烧钱的“鸽王”

早在哈勃望远镜发射的前一年,1989年9月,一场研讨会在位于美国巴尔的摩的空间望远镜研究所召开,主题是“下一代:哈勃的10米级紫外可见光及红外继任者”,会上科学家们提出了许多设想。相‘xiang’比于哈勃,这台还在概念设计阶段望远镜将会拥有比哈勃大数倍的主镜和〖he〗强大的红外观测能力。这台未来空间望远(yuan)镜的设计在之后的几年中逐渐形成,当时被称为下一代空间望远镜NGST,而它正是现在詹姆斯韦布望{wang}远镜的雏形。

概念设计图|图源:NASA

7年之后的1996年,在美国宇航局的支持下韦布望远镜开始研制,2002年被正式命名为詹姆斯韦布空间望远镜。这台望远镜无疑是人类设计过的最大最复杂的空间望远镜,技术难度巨大,导致它的命运并非一帆风顺,1999年美国宇航局曾定下2007年的发射目标,然而发射时间却一再“放鸽子”一直到了今年,以至于获得了“鸽王”的称号。

发射时间与预算变化

导致发射推迟的最重要的原因在于韦布望远镜的身上有许多首次应用的新技术,像轻量化的光学元件、可以展开的薄膜遮阳板、折叠镜片、低温促动器等等。宏伟的科学目标和巨大的工程难度使得应用甚至开发新技术成为了必然,但同样不可避免的是这些新技术的开发和验证既消耗时间也消耗经费。

詹姆斯・韦布空间望远镜的镀金镜《jing》面|图源:NASA

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韦布望远镜的研发团队面临的其中一个挑战就是轻量化的主镜镜片『pian』。如果韦布采用哈勃望远镜上的类似镜片等比例放大到6.5米直径的话,整个主镜‘jing’的重量将会超出火箭的运载能力,因此必须研发出一种在同样面积下重量只有哈勃镜片十分之一「yi」的镜片。最终研发团队选择了用{yong}铍制成镜片,为了获得对红外光的高反射率还需要在表面镀金,这样既满足光学性质,又满足低温下的结构强度,还非常轻量化,18块镜片中每一块只有20千克。

在设计之初,韦布望远镜计划的预算是16亿美元,而现在整个韦布望远镜的花费(包括运行费用)预计将会达到97亿美元,当之无愧‘kui’是目前最贵的火箭载荷。这期间韦布的研发经历了很 hen[多当初没有想到的问题,除了新技术新设备研发难度大之外,发射日期的延误也导致了费用的增加。由于韦布望远镜研制参与人员数量庞大,延误的每一天,仅薪水这一项支出就不是一笔小数目。另外韦布望远镜需要长期在昂贵的无尘室之中存放,而它在无尘室里每待一天,都在拼命烧钱。由于经费问题,韦布最接近被取消的一次是在2011年,在美国国会众议院7月份通过的2012财年预算草案中,韦布望远镜项目被认为是“超数十亿美元预算并且管理不善”,好在在天文界和一部分议员的大力支持下,11月份美国国会还是决定追加预算支持韦布望远镜项目。

02

它才是“变形金刚”

经{jing}历了坎坷的研发历程,2016年韦布望远『yuan』镜终于基本完工,随后又经历了长达数年的漫长测试和数次延期〖qi〗,2021年10月韦布望远镜终于出发前往位于法属圭亚那的库鲁航天中心,在那里和阿里亚纳5号运载火箭会合。由于韦布的主镜直径达到了6.5米〖mi〗, 没有现役火箭的整 zheng[流罩能够大到整个将它整个装进去,因此韦布必须被设计成折叠式的,发射时它将会以一个非常紧凑的折叠‘die’形态装入火箭的整流罩中,在发射升空之后再按照程序设计自行展开,仅仅这一点就使得这台望远镜在工程上的难度大大增加。

韦布望远镜在发射时折叠后的形态|图源:NASA

对天文学家和每一个参与项目的人来说,发射之后的第一个月将是非常紧张的,因为韦布需要自行在太空中完成数千个提前设计好的动作来展开,其中任何一个动作不能完成都会导致其无法正常工作。在与火箭分离之后,韦布望远镜首先需要做的动作是展开太阳帆板和将通信天线对准地球,随后展开五层遮阳薄膜,最后展开副镜 jing[和主镜,中间还需要者展开数十个小部件并完成数次轨道修正。一个月之后,韦布望远镜终于完全展开并且抵达观测轨道,接下来它还需要完成冷却的工{gong}作(发射后10多天就开始了),让背对太阳的一侧冷却到零下200多摄氏度,最后还《huan》需要进行一系列科学设备的开机测试和校准工作,因此大约发射之后6个月才能开始科学观测。对于热切地等待韦布望远镜发来新的太空美图的大家来说,发射之后还要再耐心地多等几个月。

韦布望远镜展开的过程|图源:NASA

与哈勃不同的是,由于观测条件的要求,韦布『bu』望远镜工作的轨道将会在日地L2拉格〖ge〗朗日“ri”点附近,距离地球大约150万千米(而哈勃距离地面仅有数百千米)。远离地球意味着可以不受地球辐射的影响,也可以相对方便地遮挡太阳光。然而这也同〖tong〗样带来了一个问题,那「na」就是无法维修,一旦望远镜出现任何问题就只能依赖于远程解决,或者利用望远镜自身的冗余设计,在主要设备不工作时启用备份设备。当年哈勃上天之后不久就出现“近视”,但由于哈勃运行在近地轨道,宇航员乘坐航天飞机捕捉到哈勃之后,给它加装改正镜才纠正了视力。而韦布望远镜就没有这样的机会了,因此对关键设备「bei」必须有备用选项,并且在地面反复测试再测试,确保升空之后不会出现意想不到的问题。

(未完待续)

参考资料:JWST官网、STScI网站、 ***

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