編者按：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目準備多年，耗資龐大。本文作者 Susan Karlin 講述了該項目現階段進展及核心設計理念。原文發表在 FASTCOMPANY 上，標題是：NASA’s amazing space telescope will peer 13.7 billion years into the past

　　在經歷了近 25 年的等待和幾度推遲之后，耗資 96 億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正準備于 2021 年發射升空。

　　這是一幅科幻小說中的景象: 一座由六角形金鏡組成的高塔矗立在巨大的五層銀色遮陽板和一輛環形宇宙飛船巴士之上。 這些鏡子被拋光到納米級的精度，前面是四臺復雜的儀器，它們的靈敏度足以破譯外星大氣層成分，并且能夠回溯到時間最初的黎明。

　　自去年 8 月最后一批完成的組件從美國國家航空航天局在全國各地的基地運來后，這個 14000 磅重的機器人--詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)在加州雷東多海灘諾斯羅普·格魯曼太空公園的一個洞穴般的無塵房間里組裝完畢。從觀景臺的高度看，它四層樓高的唯一標志是穿著白色連身衣的微型工程師們，他們在它的基座上跑來跑去。上個月底，媒體們受邀參加了這次任務下一步的簡報會，這是記者們第一次看到完整組裝好的天文臺。

　　“在過去的幾年中，我們將工作分為兩半。 直到去年夏天，兩部分工作進行了長時間的‘約會’，最終才結合到一起。”諾斯羅普·格魯曼公司 JWST 項目經理斯科特·威洛比笑著說。“我們將這兩個部分放在一起創建了一個天文臺。 我們正在慶祝這一成功。”

　　經過 24 年的拖延和無數次的推遲，這項耗資 96 億美元的任務進入了最后一年的調整和測試，之后望遠鏡將被運送到法屬圭亞那的圭亞那太空中心，并于 2021 年 3 月發射。這次太空之旅吸引了來自 24 個國家的數千名科學家和工程師，他們分別來自美國國家航空航天局、加拿大航天局和歐洲航天局。它在美國各地的幾個設施內完成建造，重點活動是在馬里蘭州的諾斯羅普·格魯曼公司和戈達德太空飛行中心。

　　在距離地球 100 萬英里的軌道上，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將觀測到大約 137 億年前的過去，在宇宙大爆炸之后的一瞬間(距離地球坐標 1 億年) ，宇宙從暗等離子體狀態過渡到形成第一束光、恒星和星系。 它還將分析圍繞其他恒星運行的小型巖石系外行星的大氣成分，以確定它們是否適合生命生存。

　　威洛比說:“我們的首要任務是探究:我們來自哪里?只有我們獨自存在嗎?”“我們從未見過一顆恒星不是爆炸產生的。是什么讓這些“塊狀物質”聚集在一起點燃了第一批恒星?每次你認為你知道某件事的時候，你都想證明它，想看看它是怎么發生的。”

　　一開始，最初的宇宙主要成分是氫和氦，后來幾億年的太陽聚變產生了今天發現的豐富的其他元素。恒星比太陽大 300 倍，在死于巨大的超新星之前只存在了幾百萬年。該望遠鏡的設計目的是捕捉來自這些爆炸的紅外光的痕跡，當這些痕跡被分析時，將告訴科學家它們是由什么構成的，以及它們形成的環境。2006 年，約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因測量大爆炸產生的宇宙熱量而獲得諾貝爾物理學獎，而望遠鏡的設計將可能開啟此項研究的下一個篇章。

　　“光從哪里來？ 我們是如何從宇宙大爆炸中走出來的? ” 戈達德太空望遠鏡的高級項目科學家馬瑟說。 “人們對于歷史和家譜著迷。 他們想知道，‘我們要去哪兒 ‘ 所以，這是我們要找出的其中的一點。”

　　TRAPPIST-1 系統內的 7 個巖石系外行星的藝術概念，位于距離地球 40 光年。 天文學家將用詹姆斯·韋伯空間望遠鏡望遠鏡觀測這些世界。

　　從宏觀的角度來看，50 億年后也是就是太陽死亡后，找到類地世界是確保人類生存的第一步。 更直接的是，望遠鏡的觀測結果可能提供我們地球起源和棲息地變化的線索。

　　馬瑟說：“更好地了解地球的一個方法是找到其他地方，找出它們是如何工作的。我們仍然能夠找到我們地質歷史的痕跡，但那只告訴你一個故事。所以如果你能說，‘金星在成為溫室之前是什么樣子的？’或者‘火星在干涸之前是什么樣子的？’然后它會給你一些提示，你可能需要在地球上做什么來保護環境。這些其他地方是一個小型的實驗室，便于理解。”

　　前所未有的挑戰

　　當工程師們在 1996 年開始考慮詹姆斯·韋伯太空望遠鏡時，他們需要 10 種當時還不存在的技術。 其中包括一個直徑為 21.3 英尺的鏡子，它必須被分解成 18 個獨立的部分，但作為一個整體來工作; 還有 5 個網球場大小的遮陽板，用來阻擋太陽輻射，將望遠鏡的溫度降到 -388 華氏度。 整個裝置必須折疊起來，才能放進一個直徑 16 英尺的阿麗亞娜火箭整流罩，并按照程序在 100 萬英里外展開。 它還需要新一代的探測器，比以前的探測器更靈敏。

　　更科學的調查可以在更短的時間內完成。”

　　比爾·奧克斯，戈達德航天飛行中心

　　觀察數十億光年之外的物體需要一面足夠大的鏡子來收集非常微弱物體發出的光。 詹姆斯韋伯太空望遠鏡的鏡子大小相當于 7 個哈勃空間望遠鏡，可以看到比現有地面望遠鏡和太空望遠鏡暗幾百倍的物體。

　　“哈勃望遠鏡重 25,000 磅，有一副 2.4 米（7.87 英尺）的光學鏡。 對于一個六米半（21.3 英尺）的光學器件，韋伯望遠鏡的重量為 14,000 磅。”威洛比說。 “因此，我們將光學元件的收集面積增加了七倍，重量增加了一半，適合火箭安裝。”

　　這面鏡子沒有使用更重的玻璃，而是用鈹制成，鈹是一種稀有金屬，比鋼更結實，但比鋁更輕。 然后涂上一層極薄的 24K 金，反射 98% 的紅外線。 戈達德的 JWST 項目經理比爾?奧克斯表示: “這相當于一對結婚戒指所用的黃金。”。

　　主鏡將紅外光聚焦到次鏡上，次鏡將紅外光發射回鏡子后面的四臺科學儀器，分析紅外波長的范圍，將信息數字化，然后將其發送回地球。 其中的一個儀器，近紅外光譜儀，擁有數以千計的特別設計的可編程微型百葉窗，開口只有幾根頭發那么大。 百葉窗可以更好地減少入射光的體積，并完成同步觀察。

　　“其他光譜儀器以前也在太空中飛行過，但都沒有能力同時對多達 100 個物體進行高分辨率觀測，” 奧克斯說。 “這意味著更多的科學研究可以在更短的時間內完成。”

　　保持低溫

　　JWST 儀器將測量近紅外光譜至中紅外光譜，其中波長為 0.6 到 28 微米，分別接近紅色和微波。 紅外線使我們能夠看到更遠的宇宙(因此，回溯到更早的時間) ，因為宇宙正在膨脹，產生紅移效應。 遠離我們的物體會釋放出更長的電磁波長，出現在光譜的紅色和紅外部分。

　　為了確定系外行星大氣的化學成分，機載攝譜儀將測量在行星穿過其軌道時，來自母恒星的不同元素對應的紅外光波動。

　　由于紅外攝像機對輻射（即光和熱）更敏感，因此望遠鏡必須與太陽及其在地球和月球上的反射光相距足夠遠，并具有能阻擋太陽光線并保持望遠鏡活動的防護罩，保持足夠冷的溫度以避免來自望遠鏡的紅外輻射的干擾。

　　“在寒冷的一面，光學元件的溫度是 -388 華氏度，因為那是他們收集紅外光的地方，”威洛比說。 “在炎熱的一側，設備總線所在，陽光照射下溫度達到 185 華氏度。 因此我們制造了近 600 華氏度的差異。有趣的是，如果是防曬霜的話，那就是 100 萬 SPF。”

　　低溫冷卻器將科學儀器進一步冷卻至-448?F。 奧克斯說：“那些探測器是如此靈敏，實際上我們必須使其溫度比被動達到的溫度還要低。”

　　配備“兔子服”

　　就像 2020 年的火星探測器一樣，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的建造需要潔凈的無塵室作為原始條件。 工程師穿著“兔子服”，即白色聚酯連身褲，短靴，頭巾，手術口罩和乳膠手套。 鏡子已被拋光至表面圖形精度在 20 納米以內，小于單個細菌的大小。 威洛比說。“你得擔心每一粒灰塵，人們穿什么，甚至古龍水和香水。事實上，你能聞到它們意味著它們釋放出原子和分子。我們不希望那些分子附著在遮陽板或鏡子上。”

　　隨著最后一次熱測試的完成——對光學、屏蔽和總線進行溫度極值測試——過去一年中最大的挑戰是如何將光學和遮陽板結合起來。雖然只花了一天就完成了，但這是多年計劃和實踐的結果。

　　威洛比說:“我們的工程師只是制造設備來幫助部署。”“事實證明，他們的工作和建造進入太空的東西一樣困難。”

　　重力可能是我們目前所面臨的最棘手的問題。”

　　諾斯羅普·格魯曼公司的斯科特·威洛比

　　部分挑戰是復制失重狀態或解釋重力。一旦進入軌道，光學儀器和遮陽板將分開 4 英尺，以便讓遮陽板展開。但是在地球上，要把 8000 磅的望遠鏡安裝在防護罩頂上的 6 根柱子上。他們能夠在 70 磅的失重狀態下通過復雜的馬達、天花板滑輪和墻上的平衡重物來模擬。

　　威洛比說:“重力可能是我們目前最棘手的問題。”“在太空中，它將以零重力漂浮，所以當我們將光學儀器降落在頂部時，它必須接觸到 6 英尺的角落，并被定位到 0.04 英寸內。失之毫厘就有可能失敗。”

　　團隊用模型和激光追蹤器練習了半年，然后才嘗試真正的實驗。“這可能是我們做過的最復雜的部署之一，”他補充道。“這是完美的。真的很完美。”

　　未來一年

　　在接下來的一年里，團隊將在離開無塵室之前管理大約 400 個任務。 它們包括檢查光學和防曬罩的部署，通過電氣和環境檢查運行天文臺，以及模擬發射和航天飛行的聲學和振動。 從那里開始，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將通過巴拿馬運河進行為期兩周的航行，到達發射場，發射場被裝在一個環境控制的集裝箱內。 一旦到達目的地，工程師們將花費 72 天時間執行另外 800 項任務，直到它最終發射升空。 (在赤道附近發射可以利用地球自轉的動量將其彈射到太空，從而減少火箭燃料的消耗。)

　　同時，位于巴爾的摩的約翰·霍普金斯大學的太空望遠鏡科學研究所（STSI）是 JWST 的運營中心，一直在排隊研究天文學。由于天文臺的頭六個月已經安排好了，STSI 將從預計的 1500 個科學提案中進行選擇，以填補第一年的剩余時間。該研究所將每年發布新提案的申請，并為各自的科學團隊歸檔收到的圖像。

　　并非所有 JWST 的發現都在未來。 它的一些技術已經在地球上得到了應用。 例如，眼科顯微鏡的聚焦裝置就是由設計望遠鏡鏡片的工程師發明的。 “所以這其中有一種你從未見過的聯系，”馬瑟說。

　　一旦進入軌道

　　詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將花費近三周的時間到達軌道——一個被稱為第二個拉格朗日點或 L2 的位置，在那里，地球和太陽的引力使一個物體能夠以與地球相同的速度旋轉太陽。在發射過程中，地面控制人員將命令 178 個裝置組合在一起，以便打開并開始探測器的程序部署。

　　“那些報道過火星著陸器的人說他們經歷了‘7 分半鐘的恐怖’?奧克斯說，他指的是“好奇號（火星車）”那部引人入勝的預告片。“我開玩笑地說，我們這是‘兩個半星期的高度焦慮’。

　　.一旦進入軌道，在接下來的 6 個月里，將會有大約 500 種不同的活動通過航天器、科學儀器和望遠鏡使其運轉。然后，科學研究就可以開始了。

　　最終，通過精心的管理，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將攜帶足夠的聯氨燃料，使其能夠運行長達 14 年。 戈達德太空望遠鏡的一個研究小組正在進行一項機器人加油任務，這項任務可以進一步延長天文臺的壽命。

　　“這是一個非常令人興奮的時期，因為所有的事情都匯集到一起，”奧克斯說。 “我們期待著啟動這項科學研究。 所有這些人在這段時間里一直在一起工作。 我的員工在他們的孩子很小的時候就開始為我工作，現在他們的孩子已經大學畢業了。”

　　譯者：jsmdy

總結

以上是生活随笔為你收集整理的窥视137亿年前的过去？NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜有望实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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