詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，2002年以美國國家航空暨太空總署第二任局長詹姆斯·韋伯的名字命名。1961年至1968年詹姆斯·韋伯擔任局長期間曾領導阿波羅計劃等一系列美國重要的太空探測專案。位於馬里蘭州的美國宇航局戈達德太空飛行中心(GSFC) 負責開發，望遠鏡的地面控制和協調機構是位於約翰霍普金斯大學的太空望遠鏡科學研究所。美西時間2021年12月25日上午7:21分，在法屬蓋亞那的歐洲太空總署庫魯基地，負責運送的亞利安5號火箭順利升空。送入太空後，韋伯太空望遠鏡將要航行約一個月，進入預定軌道，距離地球估計至少150萬公里，在拉格朗日L2點執行，而非地球軌道。專案歷史.起源到合約簽訂.哈勃空間望遠鏡後續的討論始於1980年代，但認真的計劃始於1990年代初期。測量高紅移(Hi-Z)望遠鏡的概念是在1989年至1994年間開發的： 一個完全擋板的 直徑紅外望遠鏡，它將後退到3個天文單位 (AU) 的軌道。 這個遙遠的軌道將受益於黃道塵埃減少的光噪聲。 其他早期計劃要求NEXUS前體望遠鏡任務。規劃與開發.NASA的戈達德太空飛行中心領導著望遠鏡專案的管理。負責詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的專案科學家是約翰·馬瑟。諾斯洛普·格魯曼是望遠鏡開發和整合的主要承包商。其負責開發和建造航天器的元件，其中包括衛星匯流排和遮陽板。承包了開發和製造。諾斯洛普·格魯曼的 Astro 航空航天業務部門已簽約建造可展開塔元件 (DTA)，將 OTE 連線到航天器匯流排和中臂元件 (MBA)，幫助在軌道上部署大型遮陽板。戈達德太空飛行中心還負責提供。2005年春季的預算增長使NASA在2005年8月的重新規劃。重新規劃後集成和測試計劃有重大變化，發射時間也從2011年推遲到了2013年，並且取消了對波長短於 1.7 μm 的天文臺模式的系統級測試。望遠鏡的其他主要功能沒有改變。 重新規劃後，該專案於2006年4月進行了獨立審查。在 2005 年的重新規劃中，該專案的總成本估計為 45 億美元。 其中包括用於設計、開發、發射和除錯的約 35 億美元，以及用於十年運營的約 10 億美元。 歐洲空間局包括髮射在內貢獻了大約 3 億歐元。加拿大航天局於 2007 年承諾提供 3,900 萬加元，並於 2012 年提供了用於調節望遠鏡朝向和探測遙遠行星大氣狀況的裝置。建造.2007年1月，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡10項技術開發專案中的其中9項順利透過審查。這些技術被認為足夠成熟，重大風險可以被消除。剩餘的一項技術開發專案開始。2007年5月，建造成本仍然在目標範圍內。2008年3月，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡成功完成初步設計審查。2008年4月，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡透過審查。其他透過的審核包括2009年3月的綜合科學儀器模組審核、2009年10月完成的光學望遠鏡元件審核以及2010年1月完成的太陽遮罩審核。2010年4月，該望遠鏡透過了關鍵任務設計審查，意味著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以滿足所有任務設計的科學和工程要求。在關鍵任務設計審查之後的幾個月裡，該計畫時間表接受獨立綜合審查小組審查，導致計劃重新制定，目標在2015年發射，且不晚於2018年。到2010年，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡成本影響到其他計劃，儘管太空望遠鏡仍然按計劃進行。2011年，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已進入最終設計和製造階段。對於一旦啟動就無法更改的複雜設計，通常會對設計、施工和運作的每個部分進行詳細審查。該計畫開創新的技術，並透過了設計審查。在1990年代，建造這麼大且高質量的望遠鏡是否可行仍是未知數。2015年11月開始利用機械手臂組裝主鏡，並於2016年2月完成。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡於2016年11月完成建造，此後開始廣泛的測試程式。2018年3月，由於望遠鏡的太陽遮罩在測試部署期間撕裂，美國太空總署將太空望遠鏡的發射再推遲一年直到2020年5月。2018年6月，根據2018年3月測試部署失敗後召集的獨立審查委員會評估，美國太空總署將發射時間再推遲10個月直到2021年3月。審查還發現詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有344個潛在的單點故障。2019年8月，望遠鏡機械結構完成，比原定於2007年完成足足晚了12年。此後，工程師們加裝五層遮陽板，以防止紅外線對望遠鏡造成損壞。施工完成後，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在加利福尼亞州雷東多海灘的諾斯洛普·格魯曼工廠進行了最終測試。升空與部署.一艘搭載望遠鏡的船支於2021年9月26日離開加利福尼亞州，經過巴拿馬運河，於2021年10月12日抵達法屬蓋亞那。美西時間2021年12月25日上午7:21，在法屬蓋亞那的歐洲太空總署庫魯基地，負責運送的亞利安5號火箭順利升空。2022年1月4日，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡長達70呎的遮陽板完全展開。美國東部時間2022年1月8日下午1：17，望遠鏡的主鏡展開，這標誌著該望遠鏡已順利完全部署。影象攝製.美國東部時間2022年1月24日下午2點，成功抵達最終目的地距離地球約150萬公里的日地系統拉格朗日L2點。2022年2月初，韋伯太空望遠鏡機載裝置啟動後拍攝到了第一顆恆星的影象並將其發回地球。2022年3月16日，NASA 舉行釋出會，宣佈詹姆斯·韋布望遠鏡已經在3月11日完成關鍵的鏡面校準步驟中的精細調相階段。並公佈了一張調相階段的照片。該照片是以一顆名為2MASS J17554042+6551277的恆星為基點。該恆星質量和太陽相當，距離地球約2000光年，屬於銀河系內的恆星，位於大熊座方向。照片內，該顆恆星顯示出八條對稱的放射線，那是在除錯18個正六邊形鏡面造成的。儘管在除錯階段，還是可以清楚的看見背後的遙遠星系，約在10億光年距離以上的銀河系外的星系。2022年7月12日，美國總統拜登向外界公佈了首張韋伯太空望遠鏡攝製的全綵色影象，同批的全套全綵影象和光譜資料影象將於美國東部時間上午10:30向外界公開。2022年9月，韋伯望遠鏡首次發回火星影象。合作夥伴.自1996年起，美國宇航局NASA、歐空局ESA和加拿大宇航局CSA在望遠鏡專案上就開始合作了。歐空局參與建設和發射於2003年得到其成員的批准，歐空局與美國宇航局於2007年簽署了一項協議。為了換取其天文學家的全面合作夥伴關係、代表權和進入天文臺的機會，歐空局正在提供 NIRSpec 儀器、MIRI 儀器的光學臺架元件、Ariane 5 ECA型發射器以及支援操作的人力。CSA 將提供精細制導感測器和近紅外成像儀無狹縫光譜儀以及支援操作的人力。來自15個國家/地區的數千名科學家、工程師和技術人員為 JWST 的構建、測試和整合做出了貢獻。 共有258家公司、政府機構和學術機構參與了發射前專案； 其中的142家來自美國，104家來自12個歐洲國家，12家來自加拿大。 作為 NASA 合作夥伴的其他國家，例如澳大利亞，已經或將參與發射後的操作。參與國.公開展示和宣傳.自 2005 年以來，一個大型望遠鏡模型已在多個地方展出：美國華盛頓州西雅圖； 科羅拉多州科羅拉多斯普林斯； 馬裡蘭州綠帶城； 紐約州羅切斯特； 紐約市； 和佛羅裡達州奧蘭多； 和法國巴黎的其他地方； 愛爾蘭都柏林; 加拿大蒙特利爾； 英國哈特菲爾德； 和德國慕尼黑。 該模型由主要承包商諾斯洛普·格魯門航空航天系統公司建造。2007年5月，望遠鏡的全尺寸模型組裝完成，在華盛頓特區國家廣場的史密森尼學會美國國家航空航天博物館展出。該模型旨在讓觀眾更好地瞭解衛星的大小、規模和複雜性，並激發觀眾對科學和天文學的興趣。 該模型與望遠鏡有很大不同，因為模型必須承受重力和天氣，因此主要由鋁和鋼製成，尺寸約為和重量約為。該模型在2010年(World Science Festival)期間在紐約市的砲臺公園展出，並作為諾貝爾獎獲得者約翰·馬瑟、宇航員約翰·格倫斯菲爾德、和天文學家的小組討論的背景。 2013年3月，該模型在奧斯汀為SXSW 2013藝術節與大會展出。任務.詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有四個主要目標：該望遠鏡的主要的任務是調查大爆炸理論的殘餘紅外線證據，即觀測今天可見宇宙的初期狀態。為此它配備高靈敏度紅外線感測器、光譜器等。為便於觀測，機體要能承受極度低溫，也要避開太陽光與地球反射光等等。為此望遠鏡附帶了可摺疊遮光板，以遮蔽會成為干擾的光源。因其處於拉格朗日點，地球、太陽與望遠鏡三者的視界總處於一定的相對位置，不用頻繁的修正位置也能讓遮光板發揮功效。發射和任務長度.該望遠鏡的發射計劃地點為法屬蓋亞那太空中心，將由亞利安五號火箭運載升空。該望遠鏡的標稱任務時間為5年，目標為10年。計劃中的5年科學任務將在6個月的除錯階段後開始。JWST需要使用推進劑來維持其圍繞L2的暈輪軌道，這為其設計壽命提供了上限，不過它的設計為，自身攜帶的推進劑足夠使用10年。L2軌道是不穩定的，因此需要保持軌道站位，否則望遠鏡將偏離此軌道位置。軌道.哈勃太空望遠鏡位於從地表大約600公里的低軌道位置上。因此，即使光學儀器發生故障也可以用太空梭前去修理。詹姆斯‧韋伯空間望遠鏡位於離地球150萬公里的距離，即使出現故障也不可能派遣修理人員。但它位於第二拉格朗日點上，重力相對穩定，故相對於鄰近天體來說可以保持不變的位置，不用頻繁地進行位置修正，可以更穩定的進行觀測，而且還不會受到地球軌道附近灰塵的影響。紅外天文學.詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的繼承者。JWST將遠遠超過這兩種望遠鏡，能夠看到更多、更老的恆星和星系。在紅外光譜中進行觀測是實現這一目標的關鍵技術，因為宇宙學紅移，並且因為它可以更好地穿透模糊的塵埃和氣體。這允許觀察較暗、較冷的物體。由於地球大氣中的水蒸氣和二氧化碳強烈吸收大部分紅外線，因此地面紅外天文學僅限於大氣吸收較弱的狹窄波長範圍。此外，大氣本身在紅外光譜中輻射，通常會壓倒被觀察物體發出的光。這使得太空望遠鏡更適合用於紅外觀測。地面支援和營運.位於馬裡蘭州巴爾的摩市約翰霍普金斯大學霍姆伍德校區的太空望遠鏡科學研究所從JWST傳輸到地面，在太空望遠鏡科學研究所進行處理和校準，然後線上分發給世界各地的天文學家。與哈勃太空望遠鏡的運作方式類似，世界上任何地方的任何人都可以提交觀測建議。構造.詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的重量為6.2噸，約為哈勃空間望遠鏡的一半。遮光罩.由於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是紅外線望遠鏡，所以它的觀測元件的溫度必須保持在50 K以下，否則，觀測目標的訊號會淹沒在來自望遠鏡本身、太陽、地球與月球的紅外輻射中。為了保持低溫，它使用了一個巨大的遮光罩以隔絕來自太陽、地球和月亮的光與熱量，並且為了使這三個天體處於望遠鏡的同一側，它被部署於太陽─地球的第二拉格朗日點的暈輪軌道上。望遠鏡位於L2點的暈輪軌道避免了來自地球與月亮的陰影，這使遮光罩與太陽能電池陣列可保持在穩定的環境中。遮光罩為其暗面的結構提供了穩定的溫度環境，而為主鏡在太空中維持精準一致的溫度是非常重要的。該遮光罩具有五層，每一層都薄如人類的髮絲。遮光罩由聚醯亞胺薄膜製造，使用來自杜邦公司的特製雙面鍍鋁薄膜，在最靠近太陽的兩層遮光罩的向陽面，額外鍍有一層經摻雜的矽，以將太陽輻射反射回太空。2018年測試期間薄膜的意外撕裂也是專案推遲的因素之一。遮光罩被設計為可以摺疊十二次，使其能夠適應阿麗亞娜5號運載火箭的整流罩的尺寸。望遠鏡在L2點部署後，它將展開到14.162m×21.197m大。它由(NeXolve)公司在亞拉巴馬州亨茨維爾市組裝，然後交付給諾斯羅普·格魯門公司在雷東多海灘 (加利福尼亞州)測試。因為遮光罩的原因，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡並非在任何時刻都有一個很好的觀測範圍。望遠鏡在某一個位置時，只可觀測該位置40%的天空範圍，但是可以在六個月的時間中觀測全部的天空，在此期間望遠鏡會環繞太陽半周。主鏡.詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的主反射鏡是一面直徑，具有的聚光面積的鍍金鈹制反射鏡，黃金塗層提供紅外線反射性和耐用性。若將這面反射鏡製成一整面巨大的反射鏡，那麼將沒有運載火箭可以將其發射。於是主鏡被設計為一個由18塊六邊形鏡片組成的可摺疊反射鏡，每個鏡面的拋光誤差不得超過10奈米；同時鏡面也經過專門研磨，使得其能夠在遮陽板陰影的極度嚴寒環境中保持正確形狀。這面反射鏡以摺疊狀態發射，在發射後再展開至工作狀態。在展開後，每個獨立鏡片將使用相位恢復波前感測技術進行校準，所有獨立鏡片都會被非常精密的微型馬達校準至正確的位置。在這次初始設定之後，鏡面就不需要進行大的調整了，只需要每隔幾日更新一些引數以維持最佳聚焦狀態即可。這與陸基分鏡片望遠鏡不同，例如凱克天文臺的凱克望遠鏡，陸基天文望遠鏡需要頻繁的使用主動光學校準每個鏡片，以消除重力與風荷載帶來的影響。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡共使用了132個微型馬達，共計126個基本執行器。外加6個安裝於次級鏡片上的執行器，一共有132個執行器。每個執行器都可以以10奈米的精度對鏡片進行調整。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡是一個三次反射消像散型的望遠鏡，這種望遠鏡的二級與三級反射鏡均具有曲率，可以在光學畸變很小的情況下以寬視場傳遞影象。二級反射鏡直徑。此外，還有一枚可以每秒數次調整自己位置的精密反射鏡，這枚反射鏡用來消抖。主鏡的背面以蜂巢型鏤空來減低重量。是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡計劃的首要光學轉包商，由主要承包商諾斯羅普·格魯門公司領導，而位於馬里蘭州綠帶城的戈達德太空飛行中心下達訂單。主鏡及其飛行備件均由波爾航空與技術製造與拋光，鈹制毛坯由以下多家公司共同製造：Axsys、和Tinsley Laboratories主鏡的鏡片排成六角形，聚光部和鏡面都露在外面，容易讓人聯想到射電望遠鏡的天線。另外，它的主體也不呈筒狀，而是在主鏡下展開座席狀的遮光板。科學酬載.綜合科學儀器模組是一個框架，可為韋伯望遠鏡提供電力、計算資源、冷卻能力以及結構穩定性。它由附著在韋伯望遠鏡結構底部的石墨-環氧樹脂複合材料製成。ISIM裝有四個科學儀器和一個引導相機。NIRCam具有阻擋星光的日冕儀，用於觀察微弱的目標，例如非常靠近明亮恆星的太陽系外行星和星周盤。NIRCam，NIRSpec，FGS與NIRISS模組中的紅外探測模組均由Teledyne影象感測器公司提供。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的綜合科學儀器模組與指令-資料處理模組的工程團隊使用在科學儀器與資料處理裝置間傳遞資料。匯流排元件.匯流排是韋伯望遠鏡的主支撐部件，可為望遠鏡提供計算，通訊，電力，推進服務，它也用於支撐望遠鏡上的結構部件。它與遮光罩構成了望遠鏡的航天器元件。望遠鏡的另外兩個主要模組是綜合科學儀器模組(ISIM)和光學望遠鏡元件(OTE)。ISIM的3號區也同樣位於航天匯流排內部。3號區包含有ISIM的低溫冷卻器。航天匯流排與光學望遠鏡元件透過可展開的塔式組裝相連，塔式組裝同時也將遮光罩與前述的兩個部件連線在一起。航天匯流排被安裝在遮光罩向陽那比較“溫暖”的一面，將會工作在。航天匯流排結構具有的質量，它還必須足夠堅固以支撐重達的太空望遠鏡本身。因此它採用了碳複合材料製作。該結構於2015年在加利福尼亞組裝完成，之後它就將成為望遠鏡其餘結構裝配的核心元件直至2021年發射。航天匯流排可以將望遠鏡以一弧秒的精度進行旋轉並且可以隔絕抖動，以將誤差降低至兩毫弧秒。在中央計算、儲存與通訊部件中，處理器與軟體控制著資料在科學儀器、固態儲存模組與可將資料發回地球的通訊系統間的流動。計算機也同時透過陀螺儀與返回的感測資料計算航天器的姿態，再使用與推進器控制航天器的指向。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡具有兩對火箭發動機。維護.目前為止並沒有在太空中對詹姆斯·韋伯空間望遠鏡進行維護的計劃。像對哈勃空間望遠鏡那樣，派遣一個乘組進入太空對韋伯望遠鏡進行維護，在目前來講是無法做到的。並且，據美國國家航空航天局副局長所說，儘管做出了極大的努力，但是在韋伯望遠鏡開始設計的年代，同時設計一個無人遠端維護計劃超出了當時科技所能達到的地步。在韋伯望遠鏡漫長的測試期間，許多NASA的成員都提出了維護任務的提議，但從未有正式宣佈過的維護計劃。韋伯望遠鏡成功發射之後，NASA宣佈，考慮到未來有可能有進行維護任務的需要，他們已經在望遠鏡上設計了若干易於進行維護的措施。包括：為遠端維護任務準備的，一系列十字線中的細緻的指導標記、可以重新加註的燃料箱、可移除的隔熱罩還有易於觸及的連線點。與其他太空望遠鏡的對比.對於大型紅外空間望遠鏡的需求可以追溯至數十年之前。在美國，太空梭尚在開發中時，空間紅外望遠鏡裝置就進入計劃階段了，紅外天文學的潛力也是在這一時期變得廣為人知的。與地面望遠鏡不同，空間望遠鏡可以避免大氣對於紅外線頻段的吸收，空間望遠鏡為天文學家打開了一片“全新的天空”。在超過400千米的高空，大氣極其稀薄，因此幾乎無法產生任何可測量的光譜吸收，因此工作在5至1000微米波長的感測器可以達到很高的靈敏度。然而，紅外空間望遠鏡具有一個缺點：所有的紅外望遠鏡都需要工作在極冷的溫度下，所需要觀測的波長越長，工作的溫度就越低。否則它自身裝置產生的紅外背景輻射將會淹沒紅外感測器，使其事實上完全無法觀測。但這個缺點可以透過謹慎設計航天器來克服，例如特意將望遠鏡與極冷的物質——比如液氦——一起置於一個杜瓦瓶中。這也意味著大多數紅外望遠鏡的壽命將會受到其冷卻劑儲量的約束，壽命最短只有幾個月，最長也不過數年時間。在過去的一些望遠鏡中，透過合理設計航天器，可以做到不使用冷卻劑也能將溫度維持在足以支援近紅外觀測的範圍內，例如斯皮策空間望遠鏡與廣域紅外線巡天探測衛星的延伸任務。另一個例子是哈勃空間望遠鏡上裝備的近紅外線照相機和多目標分光儀，在使用數年後冷卻劑耗盡，但在之後的維護任務中改裝為使用低溫冷卻器從而可以繼續工作。而詹姆斯·韋伯空間望遠鏡被設計為不使用杜瓦瓶即可進行自我冷卻，這一特點是透過結合使用遮光罩與散熱器達到的，但其上搭載的中紅外觀測裝置仍需使用額外的低溫冷卻器。韋伯空間望遠鏡的延期與預算膨脹可以與哈勃空間望遠鏡相比擬。當哈勃空間望遠鏡於1972年正式立項時，開發預算為3億美元，但是截至1990年哈勃終於入軌時，哈勃所花費的金額是初期預算的大約四倍之多。此外，替換新科學儀器與執行數次維護任務更是在2006年使總花銷增加到了至少90億美元之多。許多在NASA與韋伯望遠鏡同期提議的天文臺計劃大多已經被取消或是暫停，包括：類地行星發現者。名稱.中國大陸地區官方翻譯名稱.2021年12月23日，中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會公告，JWST名稱被審定為詹姆-{}-斯·韋-{}-布空間-{}-望遠鏡。此前，美國宇航局介紹該望遠鏡使用的簡體中文名稱為詹姆-{}-斯·韋-{}-伯太空-{}-望遠鏡。詹姆-{}-斯·韋-{}-布空間-{}-望遠鏡此命名，僅在大陸地區具有學術權威性。慶祝.美東時間2022年7月11日，韋伯太空望遠鏡團隊公開發表第一批照片，其中SMACS 0723星系團的照片裡，捕捉到歷來「早期宇宙最深處、最清晰的紅外線影像」，可追溯到130億年前。2022年7月13日，Google更改了Google Doodle，共同慶祝此一成果。