窥探137亿年前的曩昔NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜有望完成

詹姆斯·韦伯太空望远镜将花费近三周的时刻抵达轨迹——一个被称为第二个拉格朗日点或L2的方位，在那里，地球和太阳的引力使一个物体能够以与地球相同的速度旋转太阳。

编者按：詹姆斯·韦伯太空望远镜项目预备多年，耗资巨大。本文作者Susan Karlin叙述了该项目现阶段发展及中心规划理念。原文宣布在FASTCOMPANY上，标题是：NASA’s amazing space telescope will peer 13.7 billion years into the past

在阅历了近25年的等候和几度推延之后，耗资96亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜正预备于2021年发射升空。

这是一幅科幻小说中的现象: 一座由六角形金镜组成的高塔矗立在巨大的五层银色遮阳板和一辆环形国际飞船巴士之上。 这些镜子被抛光到纳米级的精度，前面是四台杂乱的仪器，它们的活络度足以破译外星大气层成分，而且能够回溯到时刻开端的拂晓。

自上一年8月终究一批完结的组件从美国国家航空航天局在全国各地的基地运来后，这个14000磅重的机器人--詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)在加州雷东多海滩诺斯罗普·格鲁曼太空公园的一个窟窿般的无尘房间里拼装结束。从观景台的高度看，它四层楼高的仅有标志是穿戴白色连身衣的微型工程师们，他们在它的基座上跑来跑去。上个月底，媒体们受邀参加了这次使命下一步的简报会，这是记者们榜首次看到完好拼装好的天文台。

“在曩昔的几年中，咱们将作业分为两半。 直到上一年夏天，两部分作业进行了长时刻的‘约会’，终究才结合到一同。”诺斯罗普·格鲁曼公司JWST项目经理斯科特·威洛比笑着说。“咱们将这两个部分放在一同创建了一个天文台。 咱们正在庆祝这一成功。”

经过24年的延迟和无数次的推延，这项耗资96亿美元的使命进入了终究一年的调整和测验，之后望远镜将被运送到法属圭亚那的圭亚那太空中心，并于2021年3月发射。这次太空之旅招引了来自24个国家的数千名科学家和工程师，他们别离来自美国国家航空航天局、加拿大航天局和欧洲航天局。它在美国各地的几个设备内完结制作，要点活动是在马里兰州的诺斯罗普·格鲁曼公司和戈达德太空飞翔中心。

在间隔地球100万英里的轨迹上，詹姆斯·韦伯太空望远镜将观测到大约137亿年前的曩昔，在国际大爆破之后的一会儿(间隔地球坐标1亿年) ，国际从暗等离子体状况过渡到构成榜首束光、恒星和星系。 它还将剖析环绕其他恒星作业的小型岩石系外行星的大气成分，以确认它们是否合适生命生计。

威洛比说:“咱们的首要使命是探求:咱们来自哪里?只要咱们单独存在吗?”“咱们从未见过一颗恒星不是爆破发作的。是什么让这些“块状物质”集合在一同点着了榜首批恒星?每次你以为你知道某件事的时分，你都想证明它，想看看它是怎样发作的。”

一开端，开端的国际主要成分是氢和氦，后来几亿年的太阳聚变发作了今日发现的丰厚的其他元素。恒星比太阳大300倍，在死于巨大的超新星之前只存在了几百万年。该望远镜的规划意图是捕捉来自这些爆破的红外光的痕迹，当这些痕迹被剖析时，将告知科学家它们是由什么构成的，以及它们构成的环境。2006年，约翰·马瑟和乔治·斯穆特因丈量大爆破发作的国际热量而取得诺贝尔物理学奖，而望远镜的规划将或许敞开此项研讨的下一个华章。

“光从哪里来？ 咱们是怎么从国际大爆破中走出来的? ” 戈达德太空望远镜的高档项目科学家马瑟说。 “人们关于前史和家谱入神。 他们想知道，‘咱们要去哪儿 ‘ 所以，这是咱们要找出的其间的一点。”

TRAPPIST-1体系内的7个岩石系外行星的艺术概念，坐落间隔地球40光年。 天文学家将用詹姆斯·韦伯空间望远镜望远镜观测这些国际。

从微观的视点来看，50亿年后也是便是太阳逝世后，找到类地国际是保证人类生计的榜首步。 更直接的是，望远镜的观测成果或许供给咱们地球来源和栖息地改变的头绪。

马瑟说：“更好地了解地球的一个办法是找到其他当地，找出它们是怎么作业的。咱们依然能够找到咱们地质前史的痕迹，但那只告知你一个故事。所以假如你能说，‘金星在成为温室之前是什么姿态的？’或许‘火星在干枯之前是什么姿态的？’然后它会给你一些提示，你或许需求在地球上做什么来保护环境。这些其他当地是一个小型的试验室，便于了解。”

史无前例的应战

当工程师们在1996年开端考虑詹姆斯·韦伯太空望远镜时，他们需求10种其时还不存在的技能。 这中心还包含一个直径为21.3英尺的镜子，它有必要被分解成18个独立的部分，但作为一个全体来作业; 还有5个网球场巨细的遮阳板，用来阻挠太阳辐射，将望远镜的温度降到 -388华氏度。 整个设备有必要折叠起来，才干放进一个直径16英尺的阿丽亚娜火箭整流罩，并依照程序在100万英里外翻开。 它还需求新一代的探测器，比曾经的探测器更活络。

更科学的查询能够在更短的时刻内完结。”

比尔·奥克斯，戈达德航天飞翔中心

调查数十亿光年之外的物体需求一面满足大的镜子来搜集十分弱小物体宣布的光。 詹姆斯韦伯太空望远镜的镜子巨细相当于7个哈勃空间望远镜，能够正常的看到比现有地上望远镜和太空望远镜暗几百倍的物体。

“哈勃望远镜重25,000磅，有一副2.4米（7.87英尺）的光学镜。 关于一个六米半（21.3英尺）的光学器材，韦伯望远镜的分量为14,000磅。”威洛比说。 “因而，咱们将光学元件的搜集面积增加了七倍，分量增加了一半，合适火箭设备。”

这面镜子没有运用更重的玻璃，而是用铍制成，铍是一种稀有金属，比钢更健壮，但比铝更轻。 然后涂上一层极薄的24K 金，反射98% 的红外线。 戈达德的 JWST 项目经理比尔 奥克斯表明: “这相当于一对结婚戒指所用的黄金。”。

主镜将红外光聚集到次镜上，次镜将红外光发射回镜子后边的四台科学仪器，剖析红外波长的规模，将信息数字化，然后将其发送回地球。 其间的一个仪器，近红外光谱仪，具有数以千计的特别规划的可编程微型百叶窗，开口只要几根头发那么大。 百叶窗能够更好地削减入射光的体积，并完结同步调查。

“其他光谱仪器曾经也在太空中飞翔过，但都没有才能一同对多达100个物体进行高分辨率观测，” 奥克斯说。 “这在某种程度上预示着更多的科学研讨能够在更短的时刻内完结。”

坚持低温

JWST仪器将丈量近红外光谱至中红外光谱，其间波长为0.6到28微米，别离挨近赤色和微波。 红外线使咱们也能够看到更远的国际(因而，回溯到更早的时刻) ，由于国际正在胀大，发作红移效应。 远离咱们的物领会释放出更长的电磁波长，出现在光谱的赤色和红外部分。

为了确认系外行星大气的化学成分，机载摄谱仪将丈量在行星穿过其轨迹时，来自母恒星的不同元素对应的红外光动摇。

由于红外摄像机对辐射（即光和热）更活络，因而望远镜有必要与太阳及其在地球和月球上的反射光相距满足远，并具有能阻挠太阳光线并坚持望远镜活动的防护罩，坚持满足冷的温度以防止来自望远镜的红外辐射的搅扰。

“在冰冷的一面，光学元件的温度是 -388华氏度，由于那是他们搜集红外光的当地，”威洛比说。 “在酷热的一侧，设备总线地点，阳光照射下温度抵达185华氏度。 因而咱们制作了近600华氏度的差异。风趣的是，假如是防晒霜的话，那便是100万SPF。”

低温冷却器将科学仪器进一步冷却至-448 F。 奥克斯说：“那些探测器是如此活络，实际上咱们一定要使其温度比被迫抵达的温度还要低。”

装备“兔子服”

就像2020年的火星探测器相同，詹姆斯·韦伯太空望远镜的制作需求洁净的无尘室作为原始条件。 工程师穿戴“兔子服”，即白色聚酯连身裤，短靴，头巾，手术口罩和乳胶手套。 镜子已被抛光至外表图形精度在20纳米以内，小于单个细菌的巨细。 威洛比说。“你得忧虑每一粒尘埃，人们穿什么，乃至古龙水和香水。事实上，你能闻到它们意味着它们释放出原子和分子。咱们不期望那些分子附着在遮阳板或镜子上。”

跟着终究一次热测验的完结——对光学、屏蔽和总线进行温度极值测验——曩昔一年中最大的应战是怎么将光学和遮阳板结合起来。尽管只花了一天就完结了，但这是多年方案和实践的成果。

威洛比说:“咱们的工程师仅仅制作设备来协助布置。”“事实证明，他们的作业和制作进入太空的东西相同困难。”

重力或许是咱们现在所面对的最扎手的问题。”

诺斯罗普·格鲁曼公司的斯科特·威洛比

部分应战是仿制失重状况或解说重力。一旦进入轨迹，光学仪器和遮阳板将分隔4英尺，以便让遮阳板翻开。但是在地球上，要把8000磅的望远镜设备在防护罩顶上的6根柱子上。他们能够在70磅的失重状况下经过杂乱的马达、天花板滑轮和墙上的平衡重物来模仿。

威洛比说:“重力或许是咱们现在最扎手的问题。”“在太空中，它将以零重力漂浮，所以当咱们将光学仪器降落在顶部时，它有必要接触到6英尺的旮旯，并被定位到0.04英寸内。失之毫厘就有或许失利。”

团队用模型和激光追寻器操练了半年，然后才测验真实的试验。“这或许是咱们做过的最杂乱的布置之一，”他弥补道。“这是完美的。真的很完美。”

未来一年

在接下来的一年里，团队将在脱离无尘室之前办理大约400个使命。 它们包含查看光学和防晒罩的布置，经过电气和环境查看作业天文台，以及模仿发射和航天飞翔的声学和振荡。 从那里开端，詹姆斯·韦伯太空望远镜将经过巴拿马运河进行为期两周的飞行，抵达发射场，发射场被装在一个环境操控的集装箱内。 一旦抵达意图地，工程师们将花费72天时刻履行别的800项使命，直到它终究发射升空。 (在赤道邻近发射可经过地球自转的动量将其弹射到太空，然后削减火箭燃料的耗费。)

一同，坐落巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学的太空望远镜科学研讨所（STSI）是JWST的运营中心，一向在排队研讨天文学。由于天文台的头六个月现已组织好了，STSI将从估计的1500个科学提案中做出合理的挑选，以添补榜首年的剩余时刻。该研讨所将每年发布新提案的请求，并为各自的科学团队归档收到的图画。

并非一切 JWST 的发现都在未来。 它的一些技能现已在地球上得到了使用。 例如，眼科显微镜的聚集设备便是由规划望远镜镜片的工程师创造的。 “所以这其间有一种你从未见过的联络，”马瑟说。

一旦进入轨迹

詹姆斯·韦伯太空望远镜将花费近三周的时刻抵达轨迹——一个被称为第二个拉格朗日点或L2的方位，在那里，地球和太阳的引力使一个物体能够以与地球相同的速度旋转太阳。在发射过程中，地上操控人员将指令178个设备组合在一同，以便翻开并开端探测器的程序布置。

“那些报导过火星着陆器的人说他们阅历了‘7分半钟的恐惧’?奥克斯说，他指的是“猎奇号（火星车）”那部引人入胜的预告片。“我恶作剧地说，咱们这是‘两个半星期的高度焦虑’。

.一旦进入轨迹，在接下来的6个月里，将会有大约500种不同的活动经过航天器、科学仪器和望远镜使其作业。然后，科学研讨就能够开端了。

终究，经过精心的办理，詹姆斯·韦伯太空望远镜将带着满足的联氨燃料，使其能够作业长达14年。 戈达德太空望远镜的一个研讨小组正在进行一项机器人加油使命，这项使命能够进一步延伸天文台的寿数。

“这是一个十分令人兴奋的时期，由于一切的作业都聚集到一同，”奥克斯说。 “咱们期待着发动这项科学研讨。 一切这些人在最近一段时刻里一向在一同作业。 我的职工在他们的孩子很小的时分就开端为我作业，现在他们的孩子现已大学毕业了。”

译者：jsmdy