历史上延迟时间最长的望远镜不仅将经历关键时刻，还将在接下来的几个月里经历一系列关键时刻。

如果--也只有在--所有这些步骤都成功的情况下，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜将开始史无前例地获取数据，以前所未有的力量和一系列无与伦比的仪器和能力探索宇宙。

尽管如此，还是值得欣赏一些令人惊叹和新奇的工程技术，这些工程技术已经投入到这台望远镜的设计和执行中。

这里有10个关于NASA最新也是最伟大的天文台的令人难以置信的事实。

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在马里兰州格林贝尔特的洁净室中检查时显示，它是完整的。

它已经在阿丽亚娜5号火箭中运输、测试、加油并准备发射。

在2021年12月25日，以及之后大约一个月的时间里，它将接受终极考验：发射和部署。

詹姆斯·韦伯太空望远镜实际上比它的前身哈勃太空望远镜轻很多。

对于大多数人来说，这一次真的很令人震惊。

在大多数情况下，如果你想建造一个更大版本的东西，它会变得更重、更大。

哈勃望远镜直径2.4米，有坚固的主镜，收集面积为4.0平方米。

詹姆斯·韦伯的直径为6.5米，由18个不同的镜段组成，收集面积为25.37平方米。

然而，如果我们把它们都放在地球上的秤上，我们会发现韦伯的质量约为6500公斤。

相比之下，当哈勃发射升空时，它的质量约为11,100公斤，加上升级后的仪器，它现在的质量约为12,200公斤。

这是一项巨大的工程壮举，因为在适用的情况下，詹姆斯·韦伯上的几乎每一个部件都比它的哈勃类似物轻。

韦伯的每面镜子都有一个单独的名称。

A、B或C表示段是三个镜像处方中的哪一个。

这些照片显示了望远镜上每面镜子的飞行版本。

詹姆斯·韦伯的镜子是有史以来最轻的大型望远镜镜子。

在最初制造时，18个主镜段中的每一个都是一个弯曲的圆盘形状，质量为250公斤。

然而，当它们完工时，重量已经减少到只有21公斤，或者说重量减轻了92%。

实现这一目标的方式令人着迷。

首先，镜子被切割成六角形，质量略有降低。

但后来--这就是它变得辉煌的地方--实际上镜子“背面”的所有物质都被机械加工掉了。

剩下的部分已经过测试，以确保它将：

即使在发射的压力下也能保持它的精确形状。

不会在振动和张力下破裂，尽管它很脆。

在预期数量和速度的微流星体撞击中幸存下来。

对所需的形状变化保持敏感，这些变化将由连接到背面的执行器进行调整。

总而言之，这18面镜子将形成一个像镜子一样的平面，精确度达到18到20纳米：这是有史以来最好的，所有这些镜子都是有史以来制造的最轻的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的反射镜甚至在第一次低温冷却发生之前就已经移除了90%以上的质量。

通过加工镜子的背面，实现了巨大的重量减轻，使詹姆斯·韦伯总共几乎轻了哈勃的一半。

虽然詹姆斯·韦伯的镜子看起来是金色的，但实际上是由铍制成的。

是的，每面镜子上都涂了一层金色的涂层，但如果完全用黄金制造镜子，那将是灾难性的。

不，不是因为黄金的密度非常高，也不是因为黄金的延展性，这两者都是黄金绝对拥有的特性。

最大的问题将是热膨胀。

即使在非常低的温度下，黄金也会随着微小的温度变化而大幅膨胀和收缩，这是韦伯镜子的首选材料的决定性因素。

然而，铍在这方面大放异彩。

通过将铍冷却到低温，并在那里抛光，你可以确保在室温下会有缺陷，但当这些镜子再次冷却到工作温度时，这些缺陷就会消失。

只有在铍被制造并加工成其最终形状之后，才能涂上金涂层。

韦伯的镜子在镀上一层仅有约100纳米厚的金原子之前，完全是由铍制成的，这张照片展示了经过机械加工、抛光和许多其他重要步骤之后，但在经历金的蒸气沉积到镜子表面之前的镜子。

詹姆斯·韦伯太空望远镜镜子中的黄金总量只有48克。

詹姆斯·韦伯的18面镜子中的每一面都需要突出地反射它设计用来观察的光的类型：红外线。

涂抹的黄金数量需要恰到好处；涂得太少，你不会完全覆盖镜子，但涂得太多，当温度变化时，你会开始经历膨胀、收缩和变形。

涂覆金涂层的过程被称为真空气相沉积。

通过把“空白”镜子放入真空室，在那里所有的空气都被抽走，你就可以在里面注入少量的黄金蒸气。

不需要涂层的区域，比如镜子的背面，都被遮住了，这样只有光滑、抛光的表面才会涂上一层金色的涂层。

这一过程一直持续到金达到所需的厚度，仅为~100纳米，或约600个金原子厚度。

镀金后，需要对反射镜的弯曲度、公差、低温性能等进行多项测试。

只有在所有这些测试都通过之后，最后一层无定形玻璃的涂层才最终被涂上，以保护黄金。

黄金本身不会直接暴露在太空中；它被覆盖在一层薄薄的无定形二氧化硅玻璃上。

你为什么不直接把黄金暴露在太空深处呢？

因为它非常柔软，延展性很强，即使是轻微或微小的撞击也很容易损坏。

尽管铍在很大程度上不会受到微流星体撞击的影响，但薄薄的金涂层会受到影响，因此如果没有额外的保护层，就无法保持望远镜运行所需的光滑度。

这就是最后一层“涂层上的涂层”的用武之地：无定形二氧化硅玻璃。

虽然我们通常会将镜子与玻璃制成并在其上涂上某种涂层联系在一起，但在这种情况下，玻璃的功能非常简单：对光线透明，并保护黄金。

所以，是的，它是镀金的，但黄金本身也需要用它自己的涂层来保护。

遮阳板的所有五层都必须沿着其支撑物正确展开和张拉。

每一个夹子都必须松开；每一层都不能卡住、卡住或撕裂；一切都必须正常工作。

否则，望远镜将无法正常冷却，对红外观测将毫无用处：这是它的主要目的。

这里显示的是遮阳板原型，比例为三分之一的部件。

詹姆斯·韦伯的“望远镜端”会被动地将自己冷却到不高于50K：足以使氮气液化的温度。

詹姆斯·韦伯之所以需要被安置在离地球如此之远的L2拉格朗日点，而不是像哈勃那样处于低地球轨道上，是因为它将被前所未有地被动冷却。

一个巨大的五层防晒罩是专门为詹姆斯·韦伯制作的，它能反射尽可能多的阳光，并遮挡住它下面的那一层。

如果它在近地轨道上，地球发出的红外线热量将阻止它达到必要的低温。

钻石形状的遮阳板本身是巨大的：长尺寸为21.2米，短尺寸为14.2米。

每一层都有面向太阳的“热面”和面向望远镜的“冷面”。

最外层的热面温度将达到383K，即231°F。当你到达最内层时，热面只有221K，即-80°F，而冷面则一直下降到36K，或-394°F。只要望远镜保持在~50K以下，它就能按设计正常工作。

哈勃极深场的一部分，总共拍摄了23天，这与詹姆斯·韦伯预期的红外模拟图像形成了鲜明对比。

由于宇宙-韦伯场预计将达到0.6平方度，它应该会在近红外线揭示大约50万个星系，揭示出迄今为止还没有天文台能够看到的细节。

虽然NIRCam将产生最好的图像，但MIRI仪器可能会产生最深刻的数据。

有了主动的低温冷却，韦伯的温度将一直降到~7K。被动冷却达到的低温在36到50K的范围内，对于韦伯的所有近红外仪器的运行来说是完全足够的。

这包括它的四个主要科学仪器中的三个：NIRCam(近红外相机)、NIRSpec(近红外光谱仪)和FGS/NIRISS(精细制导传感器/近红外成像仪和无缝隙光谱仪)。

它们都设计成在39K下工作：完全在被动冷却的范围内。

但第四台仪器，MIRI(中红外成像仪)，需要冷却到比被动冷却更远的地方，这就是制冷机的用武之地。

氦只有在大约4K时才会变成液体，所以通过在MIRI仪器上安装液氦制冷机，韦伯的科学家可以将其冷却到所需的工作温度：~7K。你想要探测的光的波长越长，你需要让仪器变得越冷，这是詹姆斯·韦伯太空望远镜做出大多数设计决定的主要原因。

当彗星和小行星围绕太阳运行时，它们可能会稍微解体，随着时间的推移，轨道轨道上的碎片会伸展开来，导致我们在地球穿过泥石流时看到的流星雨，正如美国宇航局(NASA)的斯皮策太空望远镜拍摄的这张图像所显示的那样。

只有在低于我们想要观测的波长的温度下冷却，我们才能获得这样的数据；当涉及到詹姆斯·韦伯时，中红外观测是依赖于冷却剂的。

与美国宇航局的斯皮策号不同的是，斯皮策号在冷却剂耗尽后过渡到了一次“温暖”的任务，而詹姆斯·韦伯则应该在其整个生命周期内保持较低的温度。

保持詹姆斯·韦伯积极冷却的液氦原则上永远不应该耗尽；这是一个封闭的系统。

然而，正如任何曾经从事实验物理工作的人都可以证明的那样，无论你如何防范泄漏，都不可避免地会发生泄漏。

在最乐观的情况下，韦伯的设计任务至少是5.5年，在最乐观的情况下有可能达到10年或更长时间，如果它符合设计规范，它的低温冷却剂应该不会用完。

然而，总有出现问题的可能性，我们无法充分或在整个任务中主动冷却中红外成像仪，这将侵蚀韦伯对越来越长波长的敏感性。

(同样的警告也适用于防晒罩损坏或效率低下的近红外仪器。)

詹姆斯·韦伯太空望远镜的温度越高，它可以探测的波长范围就越窄。

此图显示了WMAP在第二个拉格朗日点(L2)周围的轨迹和轨道模式。

WMAP到达L2的旅行时间为3个月，其中包括一个月的绕地球相位循环，以允许月球重力辅助推进。

在WMAP的使用寿命结束后，它用完了最后的燃料，离开了围绕L2的利萨育轨道，进入了一个“墓地轨道”，在那里它将继续无限期地绕太阳运行。

当它耗尽燃料时，它的命运将是永久地居住在围绕太阳的“墓地轨道”上。

哈勃在四次维修任务的协助下，在发射整整三十多年后仍在运行。

然而，每当Webb想要做任何涉及运动的事情时，它都需要使用它的燃料。

这包括：

修正其在L2的目的地的路线。

执行轨道校正以使其保持在L2的轨道上。

调整自身的方向，使其指向所需的目标。

燃料的供应是有限的，我们还剩下多少可供科学操作使用的燃料，完全取决于发射将韦伯送上通往其最终目的地的理想轨道的程度。

当它耗尽燃料时，科学行动就结束了。

然而，我们不能任由它漂流到任何地方，因为这可能会危及未来预定前往L2的任务。

取而代之的是，就像我们对之前发射到L2的航天器所做的那样，比如NASA的WMAP卫星，我们将把它送到墓地轨道上，在那里，只要有太阳在轨道上运行，它就会绕太阳运行。

尽管它不是为维修而设计的，但从技术上讲，机器人航天器仍有可能与詹姆斯·韦伯会合并对接，为其加油。

如果这项技术能够在韦伯耗尽燃料之前开发和推出，它可以将韦伯的寿命延长约15年左右。

尽管它不是为维修和升级而设计的，但它可能会被机器人加油以延长其使用寿命。

令人遗憾的是，在所有这些努力之后，韦伯的生命将是如此有限。

当然，5到10年的时间足以了解大量关于宇宙的知识，实现大量雄心勃勃的科学目标，并为我们敞开大门，迎接我们可能还没有想象到的偶然发现的可能性。

但是，在我们经历了所有的发展和拖延之后，詹姆斯·韦伯的一生累积起来比他在地球上的全部时间都要短，这似乎是不够的。

但还是有希望的。

有一个加油港，如果我们开发正确的无人驾驶技术，我们就可以进入。

如果我们能到达L2，与詹姆斯·韦伯对接，进入加油港，并为其加油，那么每次加油，任务的寿命可能会延长十年或更长时间。

有传言称，德国航空航天中心(DLR)可能会在韦伯寿命结束之前(大概在本世纪30年代初)进行这种类型的操作。

如果韦伯的工作完全像设计的那样，并且像预期的那样燃料有限，那么不采取这种选择可能是浪费愚蠢的终极做法。

关键词:韦伯太空 望远镜 仪器

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来 源：冬哥谱科

编辑：清风

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