詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

郭紅鋒

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

這架太空望遠鏡是為紀念美國國家航空航天局（以下簡稱為NASA）第二任局長詹姆斯·韋伯（在任時為美國航天事業(yè)掀開了新的篇章，領導了探測月球和“阿波羅”登月等計劃）而命名。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡采用了很多與哈勃望遠鏡不一樣的高新技術和觀測方法，是NASA史上最復雜的項目之一。它的特點是口徑大（6. 5米）、距離遠（拉格朗日點L2距離地球150萬千米），能在超低溫環(huán)境（零下240℃左右）下工作，可以觀測到宇宙紅外線輻射（信號微弱需要防環(huán)境輻射），缺點是無法派航天員進行維修保養(yǎng)。所以，它的設計和地面運行試驗耗時、耗力，力爭達到完美無缺，才發(fā)送到太空。

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

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的鏡面由主鏡、副鏡構成的反射系統(tǒng)和三個次鏡構成的消像差系統(tǒng)組成，沒有鏡筒（鏡面和聚光部件都露在外面，類似射電望遠鏡的天線）。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)射時折疊，發(fā)射后在高精度微型馬達和波面?zhèn)鞲衅鞯目刂葡抡归_。因無重力和大氣影響，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡主鏡在初期展開調(diào)整好后將不會有太多改變，不需要像地面望遠鏡那樣在觀測中實時用主動光學輔助調(diào)整鏡面形狀，只需要每10天左右檢查校準一次。

為了防止望遠鏡本身和環(huán)境輻射的紅外線影響觀測宇宙極微弱的紅外信號（理論上任何一個物體都會輻射出紅外信號，但溫度越低，物體輻射的紅外信號越弱），詹姆斯·韋伯太空望遠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，鍍一層純金薄膜來增加反射效率，鈹襯底的后面采用鈹材料組成支撐與傳動力部件。鈹材料的輕質(zhì)特性使詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的面積為哈勃太空望遠鏡的5倍以上，質(zhì)量僅為6.2噸（約為哈勃太空望遠鏡的一半）。

安裝在子鏡背面的促動器能夠促動納米尺度的微小位移，從而使鏡面具備最佳的光學性能。18塊子鏡背面各含6臺用于移動和轉(zhuǎn)動子鏡的促動器，全部子鏡可在促動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”，確保它們的焦點重合），對宇宙目標會聚合成像。

地面工程師將向所有促動器發(fā)送指令來調(diào)整整個拼接主鏡面，這一過程開始將耗時兩個月。一旦完成全面調(diào)整使詹姆斯·韋伯太空望遠鏡投入正常工作后，只需每10到14天進行一次鏡面調(diào)校工作。借助這項新技術，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將成為首臺采用拼接主鏡的天基天文臺。

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

拉格朗日點是限制性三體問題里的5個特解。

當三個天體里第三個天體的質(zhì)量遠小于另外兩個天體時，這個小天體就幾乎不影響另外兩個大天體的運動，此時可以把問題簡化為兩體問題，而兩體問題的運動軌跡符合開普勒三定律。當出現(xiàn)第三個小天體，這個小天體還要穩(wěn)定地留在這個體系里，它就只能在5個拉格朗日點附近（這就是限制性三體）。在限定圓形軌道條線下，小天體在圓周五個點上可以相對兩大天體靜止不動！這就是5個拉格朗日點 L1～L5（在18世紀由數(shù)學家歐拉和拉格朗日推導證明）。

在下圖的日地系統(tǒng)中，M1代表太陽，M2代表地球，5個拉格朗日點L1～L5分布在地球繞日軌道上。其中，L2點位于日地連線上的地球外側(cè)約150萬千米處，是探測器、太空望遠鏡定位和觀測太陽系的理想位置，也是國際深空探測的熱點位置。