詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡

郭紅鋒

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，簡(jiǎn)稱JWST）是美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局和加拿大航空航天局聯(lián)合研發(fā)，作為哈勃望遠(yuǎn)鏡繼任者的太空望遠(yuǎn)鏡。它于2021年12月25日發(fā)射升空，于2022年1月24日到達(dá)預(yù)定目的地（日地軌道第二拉格朗日點(diǎn)L2）

這架太空望遠(yuǎn)鏡是為紀(jì)念美國(guó)國(guó)家航空航天局（以下簡(jiǎn)稱為NASA）第二任局長(zhǎng)詹姆斯·韋伯（在任時(shí)為美國(guó)航天事業(yè)掀開(kāi)了新的篇章，領(lǐng)導(dǎo)了探測(cè)月球和“阿波羅”登月等計(jì)劃）而命名。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡采用了很多與哈勃望遠(yuǎn)鏡不一樣的高新技術(shù)和觀測(cè)方法，是NASA史上最復(fù)雜的項(xiàng)目之一。它的特點(diǎn)是口徑大（6. 5米）、距離遠(yuǎn)（拉格朗日點(diǎn)L2距離地球150萬(wàn)千米），能在超低溫環(huán)境（零下240℃左右）下工作，可以觀測(cè)到宇宙紅外線輻射（信號(hào)微弱需要防環(huán)境輻射），缺點(diǎn)是無(wú)法派航天員進(jìn)行維修保養(yǎng)。所以，它的設(shè)計(jì)和地面運(yùn)行試驗(yàn)耗時(shí)、耗力，力爭(zhēng)達(dá)到完美無(wú)缺，才發(fā)送到太空。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的目標(biāo)任務(wù)主要是勘測(cè)比哈勃望遠(yuǎn)鏡更遙遠(yuǎn)的太空，捕捉宇宙大爆炸后僅1億年的光線，以便調(diào)查大爆炸理論預(yù)言的殘余紅外線證據(jù)，即觀測(cè)宇宙的初期狀態(tài)、提供宇宙形成期第一個(gè)星系的圖像、探索遙遠(yuǎn)恒星周圍的行星。為此，它配備了高敏度紅外線傳感器、近紅外照相機(jī)、近紅外攝譜儀、中紅外裝置、精細(xì)導(dǎo)星傳感器等觀測(cè)設(shè)備。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的鏡面由主鏡、副鏡構(gòu)成的反射系統(tǒng)和三個(gè)次鏡構(gòu)成的消像差系統(tǒng)組成，沒(méi)有鏡筒（鏡面和聚光部件都露在外面，類似射電望遠(yuǎn)鏡的天線）。主鏡直徑6.5米，由18塊子鏡拼接而成（每塊六角形子鏡直徑1.3米，質(zhì)量約40千克），發(fā)射時(shí)折疊，發(fā)射后在高精度微型馬達(dá)和波面?zhèn)鞲衅鞯目刂葡抡归_(kāi)。因無(wú)重力和大氣影響，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡主鏡在初期展開(kāi)調(diào)整好后將不會(huì)有太多改變，不需要像地面望遠(yuǎn)鏡那樣在觀測(cè)中實(shí)時(shí)用主動(dòng)光學(xué)輔助調(diào)整鏡面形狀，只需要每10天左右檢查校準(zhǔn)一次。

為了防止望遠(yuǎn)鏡本身和環(huán)境輻射的紅外線影響觀測(cè)宇宙極微弱的紅外信號(hào)（理論上任何一個(gè)物體都會(huì)輻射出紅外信號(hào)，但溫度越低，物體輻射的紅外信號(hào)越弱），詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡需要在極寒溫度下工作。金屬鈹材料有極高的剛性和輕質(zhì)特性，在極寒環(huán)境下不易變形，因此組成詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的部件絕大部分采用了鈹材料，例如子鏡襯底為厚度5厘米的鈹材料。鈹襯底的前反射面被高度拋光，表面粗糙度小于20納米，鍍一層純金薄膜來(lái)增加反射效率，鈹襯底的后面采用鈹材料組成支撐與傳動(dòng)力部件。鈹材料的輕質(zhì)特性使詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的面積為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的5倍以上，質(zhì)量?jī)H為6.2噸（約為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的一半）。

安裝在子鏡背面的促動(dòng)器能夠促動(dòng)納米尺度的微小位移，從而使鏡面具備最佳的光學(xué)性能。18塊子鏡背面各含6臺(tái)用于移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)子鏡的促動(dòng)器，全部子鏡可在促動(dòng)器作用下排布成一面巨大的整鏡（擁有完全相同的“曲率中心”，確保它們的焦點(diǎn)重合），對(duì)宇宙目標(biāo)會(huì)聚合成像。

地面工程師將向所有促動(dòng)器發(fā)送指令來(lái)調(diào)整整個(gè)拼接主鏡面，這一過(guò)程開(kāi)始將耗時(shí)兩個(gè)月。一旦完成全面調(diào)整使詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡投入正常工作后，只需每10到14天進(jìn)行一次鏡面調(diào)校工作。借助這項(xiàng)新技術(shù)，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將成為首臺(tái)采用拼接主鏡的天基天文臺(tái)。

為避免觀測(cè)目標(biāo)以外的紅外輻射，望遠(yuǎn)鏡整體不僅要在極限低溫環(huán)境下工作，還要避開(kāi)來(lái)自太陽(yáng)、地球和太陽(yáng)系其他天體的光照。為此，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡安裝了具有精確定向功能和折疊功能的遮光板，用于屏蔽來(lái)自觀測(cè)目標(biāo)以外的干擾紅外輻射源。巨型遮陽(yáng)裝置面積接近一個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)大，有五層結(jié)構(gòu)，像一把巨大的遮陽(yáng)扇，遮蔽了望遠(yuǎn)鏡上的所有組件（望遠(yuǎn)鏡就安裝在遮陽(yáng)板上）。

拉格朗日點(diǎn)是限制性三體問(wèn)題里的5個(gè)特解。

當(dāng)三個(gè)天體里第三個(gè)天體的質(zhì)量遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)天體時(shí)，這個(gè)小天體就幾乎不影響另外兩個(gè)大天體的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可以把問(wèn)題簡(jiǎn)化為兩體問(wèn)題，而兩體問(wèn)題的運(yùn)動(dòng)軌跡符合開(kāi)普勒三定律。當(dāng)出現(xiàn)第三個(gè)小天體，這個(gè)小天體還要穩(wěn)定地留在這個(gè)體系里，它就只能在5個(gè)拉格朗日點(diǎn)附近（這就是限制性三體）。在限定圓形軌道條線下，小天體在圓周五個(gè)點(diǎn)上可以相對(duì)兩大天體靜止不動(dòng)！這就是5個(gè)拉格朗日點(diǎn) L1～L5（在18世紀(jì)由數(shù)學(xué)家歐拉和拉格朗日推導(dǎo)證明）。

在下圖的日地系統(tǒng)中，M1代表太陽(yáng)，M2代表地球，5個(gè)拉格朗日點(diǎn)L1～L5分布在地球繞日軌道上。其中，L2點(diǎn)位于日地連線上的地球外側(cè)約150萬(wàn)千米處，是探測(cè)器、太空望遠(yuǎn)鏡定位和觀測(cè)太陽(yáng)系的理想位置，也是國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)位置。