天文學的未來：美國宇航局的詹姆斯韋伯太空望遠鏡
每增加一英寸的光圈，每增加一秒鐘的觀察時間，每減少一個望遠鏡的視野中的大氣幹擾原子，你就能更好、更深入、更清晰地看到宇宙。當哈勃太空望遠鏡在1990年開始運行時，它開啟了天文學的一個新時代：太空天文學的時代。我們不再需要與大氣層作鬥爭；我們不再需要擔心雲；電磁閃爍不再是一個問題。我們所需要做的就是把望遠鏡對準目標，穩定它，然後收集光子。從那以後的25年裡，我們開始用我們的太空天文臺覆蓋整個電磁光譜，第一次真正看到了宇宙在每個波長的光線下是什麼樣子。
圖片來源：NASA/JPL，維基共享用戶Bricktop。
但隨著我們知識的增長，我們對未知事物的複雜理解也在增長。我們在宇宙中看得越遠，我們所需的觀測時間就越長：大爆炸後有限的時間和有限的光速使我們目前所能看到的是有限的。此外，空間本身的膨脹也會對我們產生不利影響，因為當星體發出的光線穿過宇宙到達我們的眼睛時，其波長會被拉長。即使是哈勃太空望遠鏡，它讓我們看到宇宙中最遙遠，最壯觀的景象也是有限的。
GOODS-South field(哈勃組件)。圖片來源：NASA，ESA。
R. Windhorst， S. Cohen， M. Mechtley， M. Rutkowski(亞利桑那州立大學，坦佩分校)，R. O'Connell(維吉尼亞大學)，P. McCarthy(卡內基天文臺)，N. Hathi(加州大學河濱分校)，R. Ryan(加州大學戴維斯分校)，H. Yan(俄亥俄州立大學)和A. Koekemoer(太空望遠鏡科學研究所)。
哈勃是一個神奇的設備，但它在很多方面都受到了根本性的限制：
哈勃望遠鏡的直徑只有2.4米，這限制了它的解析度。儘管哈勃望遠鏡包裹著反光材料，仍然長時間暴露在太陽直射下，接受陽光帶來的熱量。由於熱效應，它無法觀察到波長超過1.6微米的光。對光線收集的有限性和對波長的靈敏度意味著哈勃只能「看到」那些大約5億年前的星系。現在，我們所觀測到的那些星系美麗又遙遠，那個年齡宇宙只有現在的4%的時候。但我們知道，恆星和星系甚至在更早的時代就已經存在了。
如果我們想要看到這些恆星和星系，我們需要更高的敏感度。這意味著在更低的溫度下，使用比哈勃更大的望遠鏡，從太空中獲取更長的波長。這就我們要建造詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的原因。
圖片來源：NASA / JWST / HST團隊。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)正是為了克服這些限制而設計的：聚光面積6.5米直徑(聚光能力是哈勃望遠鏡7倍)，可達到從600納米到6微米的超高光譜分辨能力 (大約是哈勃望遠鏡能捕捉到的波長的四倍)，進行中紅外觀測的能力比以往任何時候都要高，既可以被動地將所有東西冷卻到冥王星的溫度以下，也可以主動地將中紅外儀器冷卻到只有7K，詹姆斯韋伯太空望遠鏡應該能夠完成無人能及的科學工作。
圖片來源：NASA / JWST團隊。
特別是，可以完成以下任務：
觀察最早形成的星系，透過中性氣體，探索第一代恆星和宇宙的再電離，對大爆炸後形成的第一批恆星(第三類恆星)進行光譜分析，可能還會有一些驚人的發現，比如發現宇宙中最早的超大質量黑洞和類星體是如何形成的。
我們從JWST中得到的科學是我們從未學過的，這就是為什麼它被選為NASA在2010年以來這十年最特別的任務。
從技術的角度來看，JWST是一件令人難以置信的作品，所有這些完美地結合在一起。那些已經關注它很長時間的人，在你們的腦海中，可能已經有了一個遙遠的記憶，關於這個項目是如何超出預算，落後於計劃，並有被取消的危險。然而，當新的管理層介入時，一切都變了。項目管理突然變得非常嚴格，為錯誤、誤差、挫折和挑戰制定了許可和預算，到目前為止，JWST團隊已經完成了每個最後期限，並在預算內按時完成了每個交付。他們計劃在2018年發射，他們不僅按時發射，他們還有9個月的緩衝時間，當他們計劃組裝好所有東西並準備發射時。JWST有四個主要部分，下面是每個部分的狀態。
圖片來源：NASA
1）光學元件組成。這包括所有的反光鏡；最引人注目的是十八個初級的分割的金色鏡子，它們將被用來收集遠處的星光，並對其進行聚焦以供儀器分析。這些反光鏡目前都是完整和完美的，並在正確的時間表，直到安裝進行。(上圖所示的14號鏡子是1月19日剛剛安裝的。)當一切完成後，這些鏡子將被摺疊成一個封裝的陣列，從地球發射到L2拉格朗日點100多萬公裡，然後自動展開，形成一個蜂巢狀的結構，在未來幾年裡收集超遙遠的光。這確實是一件美麗的事情，也是許多人努力工作的成果。
2）科學儀器。這裡有四個，它們都是100%完成的！它們是：
近紅外攝像機，詹姆斯韋伯的主要成像攝像機。延長超過一個數量級的波長，從可見，橙光深入紅外線，它應該能給我們前所未有的觀點最早的恆星，最年輕的星系形成過程中，銀河系和附近星系中的年輕恆星，柯伊伯帶有數百個新天體，以及用於優化其他恆星周圍行星的直接成像直接。這將是JWST上大多數觀察者使用的主要攝像機。
圖片來源：Astrium / NIRSpec / GSFC / NASA / ESA。
近紅外攝譜儀，它不僅能將單個物體發出的光分解成不同的波長，還能在一張圖像中同時處理100多個不同的物體。這個主要元件就是韋伯通用攝譜儀，能夠運行三種不同模式的光譜學。它由歐洲航天局建造，但有許多組件，包括探測器和多快門陣列，由戈達德太空飛行中心/美國宇航局提供。這臺儀器經過了嚴格的測試，是完整的。
圖片來源：Rutherford Appleton實驗室，MIRI歐洲聯盟和JPL。
中紅外儀器，是一個最有用的廣域寬帶成像，這意味著它將返回韋伯所有儀器中最引人注目的視覺圖像。從科學的角度來說，這是測量年輕恆星周圍的原行星盤最有效的方法，並以前所未有的精度測量/成像柯伊伯帶天體以及被星光加熱的塵埃。這將是唯一的低溫儀器。冷卻：降到7k。這將比斯皮策太空望遠鏡觀測到的結果提高100倍。
圖片來源：John A. Brebner傳播研究中心。
四種儀器中的最後一個，近紅外成像儀和無縫隙光譜儀(NIRISS)，可允許韋伯在近紅外波長(1.0~2.5微米)下進行寬場光譜分析；可見光和紅外波段(0.6~3.0微米)的單目標光譜分析；3.8 - 4.8微米(我們期望看到的第一個恆星和星系的位置)之間的孔徑掩蔽幹涉測量；以及整個視野的寬帶成像。這是唯一一個由加拿大航天局建造的儀器，在通過低溫測試後，它也是完整的，集成在整個儀器模塊中。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡的遮陽板。圖片來源：Alex Evers/Northrop Grumman。
3）遮陽板。這是新的！這是任何任務中最可怕的部分之一：全新的東西。JWST並沒有使用某種一次性/消耗性的冷卻劑來主動冷卻整個太空飛行器，而是使用了一種全新的技術：5層的遮陽板，它將部署並阻擋來自整個太空飛行器的太陽熱量。這五個25米長的薄片將由鈦棒固定在適當的位置，當整個宇宙飛船展開時，鈦棒將展開。遮陽板在2008年和2009年進行了廣泛的測試，實驗室測試的全尺寸模型已經通過了他們在地球上經受的所有考驗。這真是一種創新的美。
同時還有一個令人難以置信的概念：你不只是阻擋來自太陽的光，把望遠鏡放在陰影裡，你要確保所有的熱量都朝著與望遠鏡相反的方向放射出去！空間真空中的五層結構意味著每一層進行層在接近平衡時溫度會越來越低。而最外層是相當溫暖的比地球的表面溫度350 - 360 K左右，到最後的第五層，溫度應該37-40 K左右，或在夜間溫度比冥王星的表面。
最後，還有一些重大的預防措施，以防止深空的災難性環境。你看，每個人都需要擔心的一件事就是小石頭——卵石大小的，沙粒大小的，塵粒大小的，甚至更小的——它們以每小時數萬甚至數十萬英裡的速度在星際空間中飛來飛去。這些微粒可以撕裂和衝擊他們遇到一切物體形成微小的的洞：宇宙飛船的外殼，太空服，望遠鏡的反光鏡等等。雖然反光鏡只會被弄凹或弄暗，稍微減少「有效光線」的數量，但遮陽板可能會從頭到尾的撕裂，使整個層變得毫無用處。所以針對這一點，他們設計了一些明智的解決方案來應對此事。
遮陽板某一層結構的特寫。注意這個樣式，它不是一個連續的物質。圖片來源：Alex Evers/NorthropGrumman。
他們把擋風玻璃的每一塊都分割開來，這樣一來，如果一小片、兩片甚至三片出現裂縫，也不一定會像汽車擋風玻璃上的裂縫那樣擴散開來，從而使整個玻璃層變得毫無用處。相反，切片應該保持整體結構的完整，這是防止退化的一個重要預防措施。
4）太空飛行器總線、裝配和控制系統。這實際上是最常規的組件，因為所有的太空望遠鏡和科學任務都需要這些。JWST將是唯一的，並且也完全準備好了。我們所需要做的就是完成遮陽板，反光鏡的安裝，把所有的東西和適當的測試放在一起，我們將在兩年內準備好發布。
圖片來源：NASA和詹姆斯韋伯團隊。
如果一切順利，我們將迎來下一個偉大的科學飛躍。中性氣體的帷幕——目前遮蔽了我們對最早的恆星和星系的觀察——將被這臺望遠鏡的紅外能力和來自太空的巨大聚光能力實現。它將是有史以來最大、最靈敏、波長範圍最廣的望遠鏡，波長範圍從0.6微米到28微米(人眼能看到0.4到0.7微米的範圍)。如果它發射、部署和運行正常，就像預期的那樣，我們可以得到整整十年的觀測數據。
根據美國航空航天局的說明，韋伯發射後的任務壽命將在5年半到10年之間。其壽命受到維持軌道所需燃料的數量以及太空惡劣環境中電子設備和硬體的壽命的限制。韋伯將攜帶10年壽命的燃料；該項目將在發射後6個月的調試期結束時進行任務保證測試，以保證5年的科學運行。
主要的限制因素是維持望遠鏡在軌道上運行和精確瞄準目標所需的機載燃料量。當燃料耗盡時，它會偏離L2拉格朗日點，進入地球附近的混沌軌道。
圖片來源：NASA / WMAP團隊
其他可能失敗的事情有：
反光鏡的失效，這將影響聚集的光線，將創建圖像的工件，但仍允許使用望遠鏡， 部分或全部遮光罩的缺陷，這將增加望遠鏡的溫度，並將可用的波長波段縮小到非常近的紅外波段(只有2-3微米)，以及中紅外儀器上的冷卻劑，它是消耗品；這將使中紅外儀器不能使用，但不會影響其他儀器(0.6至6微米)。
最糟糕的情況是望遠鏡發射或部署不當，而這正是測試(順便說一下，通過了測試)所不能保證的。
2013年8月詹姆斯韋伯太空望遠鏡壁畫圖像。(渲染圖像) 來源：諾斯羅普·格魯曼公司
如果詹姆斯韋伯太空望遠鏡是正常工作，它攜帶足夠的燃料以確保從2018年到2028年運行，儘管這從未實現過，但機器人(或太空人，如果屆時技術得到發展)再次執行L2任務的潛力是存在的，這將使望遠鏡的壽命再延長10年。就像哈勃已經運作了25年，而且還在繼續運作，JWST可能會給我們帶來一代革命性的科學，如果事情進展順利的話。這是天文學的未來，經過十多年的努力，現在幾乎是時候實現它了。太空望遠鏡的未來就在眼前！
作者: Starts With A Bang
FY: J.Smiley
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