天文望远镜原理(詹姆斯·韦伯太空望远镜的工作原理)

我们对宇宙的认识受到我们感官范围的束缚，但我们的思想不知道这样的限制。当篝火的光芒使我们看不到树木繁茂的黑暗中树枝断裂的来源时，我们想象着各种可怕的前景。但是，走出几步，把火点燃到我们的背上，我们就会看到更深刻，更清晰。想象力与信息相遇，我们突然知道我们正在处理什么。

但是，要理解宇宙，需要的不仅仅是一双好的眼睛和与城市灯光的距离。它需要能够将我们的感官扩展到我们的进化极限，我们的大气层甚至我们的行星轨道之外的仪器。天文学和宇宙学都受到这些仪器质量的束缚和限制。

大约400年前，望远镜揭示了意想不到的卫星，行星和太阳黑子，引发了一系列新的宇宙理论和更好的工具来测试它们，揭示了滚滚的星云和沿途聚集的恒星。

(相关资料图)

在20世纪中叶，射电望远镜表明，星系 —— 远离静态斑点 - 实际上是活跃的，并且充满了能量。在开普勒太空望远镜出现之前，我们认为系外行星在宇宙中是罕见的。现在我们怀疑它们的数量可能会超过恒星。三十多年来，绕地球轨道运行的哈勃太空望远镜帮助刺破了时间的面纱，拍摄了恒星苗圃，并证明了星系的碰撞。现在，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）准备将其背对着阳光，远离地球，只有在月球以外的寒冷黑暗的空间里才能进行敏锐而细腻的观测。

韦伯计划于2021年12月22日从法属圭亚那库鲁的欧洲太空港发射，由美国宇航局，欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）之间的国际合作建造，负责回答一些非常雄心勃勃的问题。它还将使天文学家比以往任何时候都更接近时间的开始，让人们瞥见长期假设但从未见过的景象，从星系的诞生到第一批恒星的光。

18段镜是专门为捕捉早期宇宙中形成的第一批星系的红外光而设计的，帮助望远镜窥视恒星和行星系 尘埃云内部。

使命：站在巨人的肩膀上

这张图片显示了哈勃望远镜对猴头星云的可见光和红外视图之间的差异。詹姆斯·韦伯望远镜将专注于红外成像。

韦伯的任务建立在NASA大天文台的工作之上，并扩展了NASA大天文台的工作，这四个非凡的太空望远镜的仪器覆盖了电磁光谱的海滨。这四个重叠的任务使科学家能够在可见光，伽马射线，X射线和红外光谱中观察相同的天文物体。

校车大小的哈勃望远镜主要在可见光谱中看到一些紫外线和近红外覆盖，于1990年启动了该计划，并通过进一步的维修，将与韦伯互补和合作。该望远镜以发现许多事件的天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）的名字命名，该望远镜后来成为科学史上最富有成效的仪器之一，将恒星诞生和死亡，银河系演化和黑洞等现象从理论带到观测事实。

加入哈勃四大的还有康普顿伽马射线天文台（CGRO），钱德拉X射线天文台和斯皮策太空望远镜。

CGRO于1991年发射，现已退役，在30千电子伏特（keV）至30千兆电子伏特（GeV）频谱中检测到高能，暴力眼镜，包括活跃星系的能量喷发核。钱德拉号于1999年部署，仍在太空中约86，500英里（139，000公里）的高度轨道上运行，监测X射线光谱中的黑洞，类星体和高温气体，并提供有关宇宙诞生，增长和最终命运的重要数据。斯皮策号于2003年发射，占据了地球尾随轨道，以热红外（3-180微米）观察天空，该带宽可用于观察恒星的诞生，银河系中心和凉爽，昏暗的恒星，以及检测空间中的分子。斯皮策最初建造至少持续约两年半，但斯皮策一直运营到2020年1月30日。

韦伯的不同之处在于，它有能力深入观察近红外和中红外，并且它将拥有四种科学仪器来捕获天文物体的图像和光谱。为什么这很重要？刚刚形成的恒星和行星隐藏在吸收可见光的尘埃后面。然而，发射的红外光可以刺穿这片尘土飞扬的毯子，揭示背后的情况。科学家们希望这将使他们能够观测宇宙中的第一批恒星。婴儿星系的形成和碰撞;恒星和原行星系统的诞生，甚至可能是那些含有生命化学成分的系统。

这些最初的恒星可能是理解宇宙结构的关键。从理论上讲，它们形成的位置和方式与暗物质的早期模式有关 - 看不见的，神秘的物质可以通过它施加的引力检测到 - 以及它们的生命周期和死亡引起的反馈，影响了第一批星系的形成[来源：Bromm等人]。作为超大质量的短寿命恒星，估计质量（和数百万倍于我们太阳的亮度）的30-300倍，这些长生恒星很可能在超新星时爆炸，然后坍缩形成黑洞，后来膨胀并合并成占据大多数质量星系中心的巨大黑洞。

目睹这一切是迄今为止建造的任何仪器或望远镜都无法实现的壮举。

参观詹姆斯韦伯太空望远镜

五层遮阳板进行了关键测试，每个独特尺寸的层完全部署到与它们在太阳轨道上运行时相同的位置。

韦伯看起来有点像一个菱形木筏，上面有一个厚厚的、弯曲的桅杆和帆——如果帆是由巨大的、嚼着铍的蜜蜂建造的。"木筏"（或遮阳板）由Kapton的膜层制成 - 所有膜层都像人的头发一样薄 - 一种涂有反光金属的高性能塑料。它们共同保护主反射器和仪器。

韦伯的"龙骨"是你所认为的单元化托盘结构。这就是巨大的遮阳板折叠起来升空的地方。中央是航天器总线，它包含了保持Webb运行的所有支持功能，包括电力，姿态控制，通信，命令和数据处理以及热控制。高增益天线装饰着韦伯的外观，一组恒星跟踪器也是如此，它们与精细的制导传感器配合使用，使一切都指向正确的方向。最后，在遮阳板的一端，垂直于它，是一个动量修剪片，它抵消了光子施加在船上的压力，就像帆船上的修剪襟翼一样。

遮阳板上方是"帆"，即韦伯的巨型镜子。韦伯有一个直径为21.4英尺（6.5米）的主镜，用于测量来自遥远星系的光。（相比之下，哈勃太空望遠鏡的鏡子是7.8英尺（2.4米）。它由18个六角形铍部分组成，发射后展开，然后协调起来，就像一个巨大的主镜一样。这款镜子具有更轻的设计，并允许整个结构像落叶桌一样折叠。镜子的六边形形状允许结构大致呈圆形，没有间隙。如果镜像段是圆圈，则它们之间会有间隙。

让我们仔细看看使所有这些研究成为可能的工具。

詹姆斯·韦伯望远镜的镜子被一层薄薄的金层覆盖，这优化了它们反射红外光，这是它将观察到的主要光波长。

仪器：视线之外

Webb的近红外相机具有16百万像素的光传感器马赛克。

虽然韦伯在某种程度上看到了视觉范围（红色和金色的光），但它基本上是一个大型红外望远镜。

其主要成像仪近红外相机（NIRCam）可在0.6-5.0微米范围（近红外）范围内感应。这意味着它可以探测到来自最早诞生的恒星和星系的红外光。对附近的星系进行人口普查;并发现物体在柯伊伯带中摆动，柯伊伯带是海王星以外轨道上运行的冰冷物体的广阔空间。它还将有助于根据需要纠正韦伯的望远镜视力。NIRCam配备了日冕仪，这将使相机能够通过阻挡它们令人眩目的光线来观察明亮恒星周围的微弱光晕 - 这是发现系外行星的重要工具。近红外光谱仪（NIRSpec）在与NIRCam相同的波长范围内工作。像其他光谱仪一样，它通过将恒星等物体的光分成光谱来分析它们的物理特征，光谱的模式根据目标的温度，质量和化学组成而变化。NIRSpec将研究数千个辐射微弱的古代星系，以至于韦伯的巨型镜子将被要求指向它们数百小时，以收集足够的光来形成光谱。为了帮助完成这项任务，光谱仪有一个由62，000个单独的百叶窗组成的网格，每个百叶窗都能够打开和关闭以阻挡较亮恒星的光线。得益于这种微扫射阵列，NIRSpec将成为第一台设计用于同时观察100个不同物体的天基光谱仪。精细制导传感器/近红外成像仪和无缝光谱仪（FGS-NIRISS）实际上是两个封装在一起的传感器，将有助于检查第一光探测，系外行星探测和表征以及系外行星凌日光谱。FGS还将帮助望远镜指向不同的方向。最终的韦伯仪器将其范围从近红外扩展到中红外，方便挑选行星，彗星，小行星，星光加热的尘埃和原行星盘。无论是相机还是光谱仪，这款中红外仪器（MIRI）都能覆盖最宽的波长范围，从5-28微米。它的宽视场宽带相机将拍摄更多使哈勃成名的图像。

但红外观测对于理解宇宙至关重要。尘埃和气体可以阻挡恒星苗圃中恒星的可见光，但红外线会穿过。此外，随着宇宙膨胀和星系分开，它们的光"伸展"并变得红移，滑向更长的电磁（EM）波长，如红外线。银河系越远，它消退得越快，它的光就越红移，因此，像韦伯这样的望远镜的价值。

红外光谱还可以提供有关系外行星大气的大量信息，以及它们是否含有与生命相关的分子成分。在地球上，我们称水蒸气，甲烷和二氧化碳为"温室气体"，因为它们吸收热红外线（又名热量）。由于这种趋势在任何地方都适用，科学家们可以使用韦伯通过在光谱读数中寻找明显的吸收模式来检测遥远世界大气中的这些物质。

韦伯可以回答的问题

韦伯的任务是回答许多生命最大的谜团，比如生命在地球上是如何发展的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是有史以来建造的最大，最强大的太空望远镜。这将是发射到太空的最复杂的望远镜。它在任务期间提供的数据预计将持续5到10年，可能会改变我们对宇宙的理解。

为什么？因为它的目标是检查我们宇宙历史的所有阶段，包括大爆炸。但韦伯望远镜在任务期间有四个不同的目标，它们分为四个主题：

黑暗时代的终结：第一次光和再电离：韦伯将利用红外能力"看到"回到大爆炸后大约1亿到2.5亿年，当时第一批恒星和星系正在形成。我们有来自微波COBE和WMAP卫星的大爆炸的热签名证明，大约在它发生后38万年。但我们仍然不知道宇宙的第一缕光是什么样子的，以及这些第一批恒星是什么时候形成的。韦伯可能回答的一些问题包括第一批星系是什么;何时以及如何发生再电离;什么来源导致再电离？星系的组装：韦伯非凡的红外能力将使我们能够看到最微弱，最早的星系以及巨大的螺旋。这些能力将有助于回答有关星系的问题，例如它们在数十亿年内如何演化和发展;黑洞和拥有它们的星系之间的关系是什么？化学元素是如何通过星系分布的？恒星和原行星系统的诞生：与哈勃不同，韦伯将透过巨大的尘埃云看到恒星和行星系统诞生的地方。这是因为韦伯看到了尘埃云内部恒星发出的热量或红外光。哈勃不能这样做。希望它能帮助回答诸如气体和尘埃云如何坍缩形成恒星之类的问题;为什么大多数恒星成群结队;行星系统是如何形成的？行星系统和生命起源：除了研究太阳系外的行星外，韦伯还将让科学家更多地了解我们自己的家园，包括太阳系中的小天体：小行星，彗星和柯伊伯带天体。许多问题都可以回答，包括行星的基石是如何组装的;行星如何到达它们的终极轨道;地球上的生命是如何发展的;火星上曾经有过生命吗？

关键词： 行星系统 韦伯太空望远镜