詹姆斯·韦伯(望远镜)

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January 24, 2022

詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 是一个轨道红外天文台,有望取代哈勃太空望远镜。它最初被称为下一代太空望远镜(NGST)。 2002 年,为了纪念美国宇航局的第二任负责人詹姆斯·韦伯(1906-1992 年)而更名,他于 1961-1968 年在阿波罗计划期间领导该机构。 “詹姆斯·韦伯”有一个直径 6.5 米的复合反射镜,收集表面积为 25 平方米,通过隔热罩遮挡来自太阳和地球的红外辐射。望远镜将被放置在太阳-地球系统L2拉格朗日点的光环轨道上。该项目是由美国宇航局牵头的17个国家国际合作的结果,欧洲和加拿大航天局的重大贡献。该项目的估计成本为98.15亿美元(随着望远镜的使用而增加)其中NASA的贡献估计为88亿美元,欧洲航天局的贡献包括发射在内为8.5亿美元,加拿大航天局的贡献为1.65 亿美元。 NASA 将获得望远镜 80% 的时间,而 EKA 将获得 15%,CSA 将获得 5%。目前的计划要求在 2021 年 12 月 22 日用阿丽亚娜 5 号火箭发射望远镜。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。该项目的估计成本为98.15亿美元(随着望远镜的使用而增加)其中NASA的贡献估计为88亿美元,欧洲航天局的贡献包括发射在内为8.5亿美元,加拿大航天局的贡献为1.65 亿美元。 NASA 将获得望远镜 80% 的时间,而 EKA 将获得 15%,CSA 将获得 5%。目前的计划要求在 2021 年 12 月 22 日用阿丽亚娜 5 号火箭发射望远镜。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。该项目的估计成本为98.15亿美元(随着望远镜的使用而增加)其中NASA的贡献估计为88亿美元,欧洲航天局的贡献包括发射在内为8.5亿美元,加拿大航天局的贡献为1.65 亿美元。 NASA 将获得望远镜 80% 的时间,而 EKA 将获得 15%,CSA 将获得 5%。目前的计划要求在 2021 年 12 月 22 日用阿丽亚娜 5 号火箭发射望远镜。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。欧洲航天局捐款 - 8.5 亿美元,包括发射,加拿大航天局捐款 - 1.65 亿美元。 NASA 将获得望远镜 80% 的时间,而 EKA 将获得 15%,CSA 将获得 5%。目前的计划要求在 2021 年 12 月 22 日用阿丽亚娜 5 号火箭发射望远镜。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。欧洲航天局捐款 - 8.5 亿美元,包括发射,加拿大航天局捐款 - 1.65 亿美元。 NASA 将获得望远镜 80% 的时间,而 EKA 将获得 15%,CSA 将获得 5%。目前的计划要求在 2021 年 12 月 22 日用阿丽亚娜 5 号火箭发射望远镜。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。在这种情况下,第一项科学研究将于 2022 年初开始。望远镜将运行至少六年;制冷剂供应将持续运行约 10 年。

任务

2017 年 6 月 15 日,美国宇航局和欧空局公布了望远镜的首批目标清单,其中包括 2100 多个观测数据。它们是太阳系的行星和小天体、系外行星和原行星盘、星系和星系团,以及类星体。2021 年 3 月 30 日,美国宇航局公布了主要观测目标的最终清单,该清单将从望远镜发射后 6 个月开始。总共从天文学七个主要领域的一千多个申请中选出了286个,总共需要望远镜的观测时间约六千小时,约为第一周期分配的总时间的三分之二的观察。

天体物理学

JWST的主要任务是:探测大爆炸后形成的第一批恒星和星系的光,研究星系、恒星、行星系统的形成和发展以及生命的起源。此外,“詹姆斯·韦伯”将能够讲述宇宙再电离开始的时间和地点,以及造成它的原因。“詹姆斯·韦伯”必须弄清楚从大爆炸后 40 万年到大爆炸后 4 亿年这段时间里的星系是什么样子的。

系外行星学

该望远镜将有可能探测到表面温度高达 300 K(实际上等于地球表面的温度)、位于 12 天文单位以外的相对寒冷的系外行星。 e. 来自它们的恒星,距离地球长达 15 光年。离太阳最近的两打以上的恒星将落入详细观测区。多亏了 JWST,预计系外行星学将取得真正的突破——望远镜的能力不仅足以探测系外行星本身,甚至可以探测到这些行星的卫星和光谱线。这将是任何地面和空间望远镜都无法企及的指标,直到 2027 年秋季,届时一台镜面直径为 39.3 m 的超大型望远镜将投入使用。2009 年。然而,望远镜的能力不足以获得发现的系外行星的图像。如果发射新的太空望远镜(例如 LUVOIR 或 HabEx),这样的机会要到 2030 年代中期才会出现。

原行星盘

研究的优先天体清单包括最近的 20 个原行星盘中的 17 个,它们的图像是在 2003 年使用斯皮策太空望远镜和 2018 年由 ALMA 射电望远镜综合体获得的。韦伯将测量原行星盘的光谱,这将提供它们的化学成分的概念,并补充系统内部结构的细节,之前由 ALMA 复合体在高的 Disk Substructures 框架内观察到角分辨率项目 (DSHARP)。科学家们预计,望远镜(MIRI 仪器)将在其中运行的中红外范围内,通过其特征化学元素识别原行星盘内部与地球类似的活跃形成的岩石行星成为可能。他们是组成的。将测量水量。每个圆盘中的一氧化碳、二氧化碳、甲烷和氨,在光谱学的帮助下,可以估计圆盘内氧、碳和氮的含量和位置(这对于了解水是否处于潜在的宜居带,其他条件适合发生生命的区域)。

太阳系的水世界

该望远镜的红外仪器将用于研究太阳系的水生世界——木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二。 NIRSpec 工具将用于搜索两颗卫星间歇泉中的生物特征(甲烷、甲醇、乙烷)。 NIRCam 工具将能够获得欧洲的高分辨率图像,这些图像将用于研究其表面并寻找具有间歇泉和高地质活动的区域。记录的间歇泉的成分将使用 NIRSpec 和 MIRI 仪器进行分析。在这些研究中获得的数据也将用于使用 Europa Clipper 探测器探索木卫二。对于土卫二,由于地处偏远,体积小,将无法获得高分辨率图像,然而,望远镜的功能将允许对其间歇泉的分子组成进行分析。

太阳系的小天体

计划对谷神星、帕拉斯、龙宫小行星、海王星外天体、半人马和几颗彗星进行观测。

历史

建造强大的新型太空望远镜的想法出现在 1996 年,当时美国天文学家发布了 HST 和 Beyond 报告。直到 2002 年,该望远镜才被称为下一代太空望远镜(NGST),因为新仪器应该会继续哈勃发起的研究。最初,发射定于 2007 年,后来被推迟了几次(见表)。2015年底,望远镜的第一部分才安装在望远镜上,而完整的主复合镜则是在2016年2月才组装完成的。

融资

该项目的成本也增加了数倍。2011 年 6 月,人们知道望远镜的成本至少超过了最初计算的四倍。NASA 于 2011 年 7 月由国会提出的预算本应因管理不善和预算过高而终止对望远镜的资助,但该预算在当年 9 月进行了修订,该项目保留了资金。参议院于 2011 年 11 月 1 日做出了继续资助的最终决定。2013年,拨款6.267亿美元用于望远镜的建设。到2018年春季,该项目的成本已增至96.6亿美元。

隔热板

詹姆斯韦伯太空望远镜的隔热罩由 5 层 Kapton 组成,每层都涂有铝,尺寸为 21.1 米 x 14.6 米。需要屏幕来保护天文台的主镜和科学仪器免受热通量和宇宙辐射的影响。前两个“热”层涂有掺杂硅。建模显示,第一层的最高温度为 383 Kelvin,最后一层的最低温度为 36 Kelvin。屏幕部署机制有 90 根张力电缆,以及 107 个释放装置的安装,这些装置将在部署之前将 kapton 层保持在正确的位置。

光学系统制造

问题

望远镜的灵敏度及其分辨率与从物体收集光的镜子面积的大小直接相关。科学家和工程师已经确定主镜的最小直径必须为 6.5 米,以便测量来自最遥远星系的光。简单地制作一个像哈勃望远镜反射镜一样但更大的反射镜是不可接受的,因为它的质量太大而无法将望远镜发射到太空。一组科学家和工程师必须找到一个解决方案,使新反射镜每单位面积的质量只有哈勃望远镜反射镜的 1/10。

开发和测试

美国宇航局已经开始研究制造望远镜镜的新方法。为此,创建了高级镜像系统演示器 (AMSD) 计划,该计划本质上是 NASA、美国国家空间情报局和美国空军之间为期 4 年的合作。基于 AMSD 研究,构建并测试了两个测试镜。一个是由 Ball Aerospace & Technologies 用铍制成,另一个是由柯达(现在的 ITT)用特殊玻璃制造的。一个专家小组对这两面镜子进行了测试,以确定它们执行任务的效果、成本以及建造一个全尺寸的 6.5 米镜子有多容易(或困难)。专家为詹姆斯韦伯望远镜推荐铍镜有几个原因,其中一种铍在低温下保持其形状。根据专家的建议,诺斯罗普·格鲁曼公司选择了铍镜,戈达德太空飞行中心批准了这一决定。还决定使镜子不是整体的,而是由将在轨道上分开的部分制成,因为一体式镜子的尺寸不允许将其放置在 Ariane-5 运载火箭中。镜子的18个六边形段中的每一个边到边的尺寸为1.32米,每段镜子本身的质量为20公斤,整个段作为一个组件(包括精密定位驱动器等)的质量.) 是 40 公斤。段的六边形形状不是偶然选择的。它具有高填充因子和六阶对称性。高填充因子意味着确保这些段无间隙地组合在一起。由于对称性,18 个镜段可分为三组,每组中的段设置相同。最后,希望镜子具有接近圆形的形状 - 以便将光最紧凑地聚焦在检测器上。例如,椭圆形镜子会产生拉长的图像,而方形镜子会从中心区域发出大量光线。

生产

一种特殊类型的铍用于韦伯反射镜。它是一种细粉。将粉末放入不锈钢容器中并压入扁平模具中。取出钢制容器后,将一块铍切成两半,制成两个约 1.3 米的镜坯。每个镜坯用于创建一个段。镜面成形过程首先切割铍工件背面的多余材料,以保留薄肋结构。考虑到分段在大镜子中的位置,对每个工件的正面进行了平滑处理。然后研磨每个镜子的表面,使其形状接近计算出的形状。之后,镜子被小心地平滑和抛光。重复这个过程直到直到镜段的形状接近理想。然后将分段冷却到-240°C的温度,并使用激光干涉仪测量分段尺寸。然后,考虑到接收到的信息,镜子进行最后的抛光。分段加工完成后,镜子的正面涂有一层薄薄的金,以更好地反射 0.6-29 µm 范围内的红外辐射,并在低温下重新测试完成的分段。镜子的部署由一个由 132 个独立驱动器和电机组成的系统控制,该系统首先由三个大碎片组成,然后正确定位 18 个部分中的每一个。 2019年8月28日,詹姆斯韦伯望远镜组装完成——专家首次将主镜连接到平台,包括防晒霜。现在工程师们正在致力于连接望远镜两部分的电路,之后将进行所有系统的最终测试。

测试

2017 年 7 月 10 日——望远镜在休斯顿约翰逊航天中心 37 K 温度下进行的最终低温测试开始,历时 100 天。除了在休斯敦进行的测试外,该装置还在戈达德太空飞行中心进行了一系列机械测试,结果表明它可以承受重型运载火箭的发射。 2018 年 2 月上旬,巨型反射镜和各种仪器被运送到诺斯罗普格鲁曼公司的雷东多海滩设施,用于望远镜的最终组装。望远镜推进模块及其防晒霜的建造工作已经在那里进行。当整个结构组装好后,它将通过海船从加利福尼亚运送到法属圭亚那。2019年5月30日,在诺斯罗普格鲁曼公司测试中心,完成了望远镜组装舱在各种温度条件下的运行测试:望远镜的结构元件在一个特殊的真空室中暴露在-148°的温度下С至+ 102°С。测试过程中使用液氮进行冷却,使用热电堆加热,2019年8月28日,工程师们成功将防护罩与未来望远镜的主镜对接。接下来,专家将连接望远镜两部分的电路,然后测试这些电路。望远镜的两半组装完成后,詹姆斯·韦伯将被装入一个特殊的太空舱进行发射,然后送往法属圭亚那的库鲁航天发射场。媒体援引美国宇航局发言人埃里克·史密斯的话说,2020 年 1 月 7 日,主要工作在望远镜的创建上。 Jaime Webb 已经完成,但将在接下来的 15 个月内进行一系列地面测试。 2020年,阿丽亚娜5号运载火箭发射时,将对望远镜设备进行抗振抗噪测试,更换之前测试中异常触发的部分电子设备,然后再进行一次测试评估复杂测试如何影响天文台仪器的所有系统。 2020 年 3 月 31 日,成功完成整面反射镜全展开试验,附有特制的重力补偿装置,模拟失重。2020 年 7 月 13 日,专家宣布完成第一个最终综合体(声学、振动)和电气)望远镜的测试,历时 15 天。2020 年 8 月 25 日太空飞行中心。戈达德说,专家们已经完成了第一个完整的科学仪器地面测试周期。一系列新的振动和声学测试很快就会开始。他们将展示詹姆斯韦伯是否能够承受火箭发射和发射入轨过程中的负载。2021 年 3 月 1 日,望远镜进行了最终功能测试,在此期间专家检查了望远镜的电路和操作的通信系统。电气测试持续了 17 天,在此期间专家们检查了望远镜及其科学仪器的所有电子元件的功能。在检查通讯系统的过程中,模拟了天文台与地球数据交换的情况;为此,工程师们调上了望远镜,位于加利福尼亚州诺斯罗普格鲁曼空间系统公司的一个洁净室中,通过 NASA 深空通信模拟器进行指挥。此外,工程师们还制定了将望远镜的控制权从一个指挥中心转移到另一个指挥中心的情况,并在天文台执行必要命令的同时成功地将几次调整发送到了天文台上。在实际情况下,与天文台的通信将由位于加利福尼亚、西班牙和澳大利亚的 NASA 深空通信网络的三个复合体,以及位于新墨西哥州和位于肯尼亚和德国的欧洲站的天线提供。2021 年 4 月 7 日,专家最后一次铺设了望远镜的五层隔热罩......下一次它在发射后将不得不自行转向。安装历时一个月,包括一些费力的操作,例如锯齿形折叠每一层并对齐它们,铺设 90 根张力电缆,并安装 107 个下降器,这些下降器将在部署之前将 kapton 层保持在正确的位置。在接下来的三个月里,专家将完成屏幕到飞行配置的转换,特别是,他们将安装和固定所有电缆、屏幕盖以及屏幕部署系统的组件,如吊杆导轨和屏幕望远镜的主镜于 2021 年 7 月 1 日部署完毕,欧空局宣布该望远镜已通过与阿丽亚娜 5 号运载火箭的兼容性最终测试,该运载火箭将把它发射到太空。这项工作包括评估火箭整流罩下望远镜受到的外部影响水平,制定火箭飞行计划以及望远镜与上级分离。2021 年 8 月 26 日,美国宇航局宣布对火箭进行所有测试。望远镜已经完成,准备送往库鲁航天发射场,于今年 11 月发射。

准备和启动

从发布到收到第一个信息大约需要 6 个月的时间。在此期间,望远镜将被部署,科学家将能够验证它已部署并正常工作。然后设备需要冷却,这将需要很多时间。任务的压倒性复杂性和高成本以及相关的日程延误迫使 NASA 多次推迟发射日期。该望远镜原定于2014年发射,随后发射日期移至2015年9月,发射日期移至2018年10月。2017年9月底,NASA将望远镜发射推迟至2019年3月-6月。 2018年2月27日,美国宇航局推迟发射望远镜 2018年6月27日,美国宇航局因没有时间测试其系统,将望远镜发射推迟到2021年3月30日。这是在 NASA 的独立审查委员会一致建议进一步开发和测试望远镜以纠正设计中的技术缺陷之后发生的。除了开发时间的增加,任务的成本也增加了:开发成本现在估计为88亿美元,整个任务的总成本,包括发射后的工作,估计为96.6亿美元2020年7月16日,美国宇航局将望远镜的发射推迟到2021年10月31日。工作延误的主要原因是COVID-19大流行的情况。2021年6月1日,欧美代表宣布太空望远镜的发射将从10月下旬推迟到11月中旬甚至更远.这是由于需要检查阿丽亚娜5号运载火箭机头整流罩的分离系统,2021 年 9 月 8 日,欧空局宣布将于 12 月 18 日进行发射,但在去年的发射过程中并未发挥应有的作用。由阿丽亚娜 5 号运载火箭发射后,望远镜将移动四个星期,到达位于第二个拉格朗日点的目的地。据美国互联网门户网站Space News报道,NASA在该项目上投资了88亿美元,ESA——8.15亿美元,包括火箭和发射的费用,加拿大航天局——2021年11月22日望远镜后的1.65亿美元交付给库鲁航天发射场后,欧空局将望远镜的发射时间推迟到 2021 年 12 月 22 日。另一项转移与将折叠成飞行配置的天文台安装到 Ariane-5 运载火箭的有效载荷适配器期间发生的事件有关:意外拆除锁定胶带,它将望远镜和适配器固定在一起,只能在天文台在太空中分离的过程中释放,这会导致整个望远镜的振动。事件发生后,由美国宇航局领导的异常分析委员会开始对望远镜进行一系列额外测试,以确保没有任何组件因事件而损坏。经过检查,没有发现望远镜损坏,因此美国宇航局已确认发射定于 12 月 22 日进行。经过检查,没有发现望远镜损坏,因此美国宇航局已确认发射定于 12 月 22 日进行。经过检查,没有发现望远镜损坏,因此美国宇航局已确认发射定于 12 月 22 日进行。

设备

JWST 将拥有以下空间探索科学仪器: 近红外相机;中红外仪器(MIRI);近红外光谱仪(NIRSpec);精细制导传感器 (FGS) 和近红外成像设备以及近红外成像仪和无缝隙光谱仪 (NIRISS)。

近红外摄像机

近红外相机是韦伯的主要成像装置,由一系列汞-镉-碲探测器组成。该设备的工作范围为 0.6 至 5 微米。它的开发委托给亚利桑那大学和洛克希德马丁公司的先进技术中心。该设备的任务包括:探测来自最早恒星和星系形成阶段的光;研究附近星系的恒星数量;研究银河系和柯伊伯带天体中的年轻恒星;确定强红移下星系的形态和颜色;确定遥远的超新星的光变曲线;使用引力透镜创建暗物质地图。该设备配备了日冕仪,可让您拍摄明亮源附近的微弱物体的照片。在日冕仪的帮助下,天文学家希望确定围绕附近恒星运行的系外行星的特征。

近红外光谱仪

近红外光谱仪将分析光源的光谱,这将提供有关被研究物体的物理特性(例如,温度和质量)及其化学成分的信息。该仪器能够执行波长范围为 1-5 µm 的中分辨率光谱和波长为 0.6-5 µm 的低分辨率光谱。韦伯将研究的许多物体发出的光非常少,以至于望远镜需要从它们那里收集光数百小时才能分析光谱。为了在望远镜运行的 5 年中研究数千个星系,光谱仪被开发出来,能够同时观察 3 × 3 弧分天空区域内的 100 个天体。为此,戈达德的科学家和工程师开发了一种新的微门技术来控制进入光谱仪的光线。科技的本质,允许同时获得 100 个光谱,它包含在一个称为“微快门阵列”的微机电系统中。 NIRSpec 光谱仪的微栅单元具有在磁场影响下打开和关闭的盖子。每个大小为 100 x 200 μm 的单元都可以单独控制,可以打开或关闭,分别为光谱仪提供或相反地遮挡一部分天空。正是这种可调节性使仪器能够同时对如此多的物体进行光谱分析。由于 NIRSpec 将研究的物体距离较远且较暗,因此仪器需要抑制来自较近、较亮光源的辐射。微锁的工作方式类似于人们侧身看物体的方式,阻挡不需要的光源。该设备已经开发完成,目前正在欧洲进行测试。

一种在中红外范围内工作的设备

在中距离红外辐射 (5-28 µm) 中运行的设备由一个带有分辨率为 1024 × 1024 像素的传感器的相机和一个光谱仪组成。 MIRI 由三个砷硅探测器阵列组成。该设备的灵敏探测器将使您能够看到遥远星系的红移、新恒星的形成和微弱可见的彗星,以及柯伊伯带中的物体。相机模块提供了在宽频率范围内以大视场拍摄物体的能力,光谱仪模块提供了具有较小视场的中分辨率光谱,这将允许获得远处物体的详细物理数据。 MIRI 的标称工作温度为 7 K。仅使用被动冷却系统无法达到此温度。相反,冷却分两个阶段进行:基于脉动管的预冷装置将设备冷却至 18 K,然后具有绝热节流(焦耳-汤姆逊效应)的热交换器将温度降至 7 K。由来自欧洲国家的科学家和工程师组成,由加利福尼亚喷气推进系统的员工和来自美国多个研究所的科学家组成。

FGS/NIRISS

精密制导传感器 (FGS) 和近红外成像设备和无缝隙光谱仪 (NIRISS) 将在 Webb 打包在一起,但它们本质上是两种不同的设备。这两款设备都由加拿大航天局开发,已经通过类比“加拿大之手”获得了“加拿大之眼”的绰号。该工具已于 2013 年 2 月与 ISIM 结构集成。

精密瞄准传感器

精密制导传感器 (FGS) 将使 Webb 能够准确定位,从而获得高质量的图像。 FGS 可以对天空的两个连续区域进行成像,每个区域的大小为 2.4 x 2.4 弧分,并且每秒从 8 x 8 像素的小组中读取信息 16 次,这足以找到相应的参考星,其中 95% 的可能性在任何地方在天空中,包括高纬度地区。 FGS的主要功能包括:图像采集以确定望远镜在空间中的位置;获得预先选定的参考星;提供位置控制系统工程。姿态控制系统通过以每秒 16 次的速度测量参考星的质心。在发射到望远镜轨道期间,FGS 还将报告主镜部署的偏差。

近红外成像装置和无缝隙光谱仪

近红外成像设备和无缝隙光谱仪 (NIRISS) 在 0.8-5.0 µm 范围内运行,是一种具有三种主要模式的专用仪器,每种模式都有一个单独的范围。NIRISS 将用于以下科学任务:获取“第一缕光”;探测系外行星;获取他们的特征;传输光谱。

也可以看看

Herschel - ESA 的红外太空望远镜 Space Interferometry Mission

注释(编辑)

注释 脚注

链接

jwst.nasa.gov (eng.) asc-csa.gc.ca/eng... (eng.) sci.esa.int/jwst/ (eng.) stsci.edu/jwst/ (eng.) - James Webb太空望远镜(基于航空周刊。韦伯望远镜观察早期宇宙)从大爆炸到詹姆斯韦伯太空望远镜和新的诺贝尔奖 - 约翰马瑟于 2009 年在“王朝”基金会的支持下发表的演讲。谁将取代哈勃 - 詹姆斯韦伯望远镜视频