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玛西娅里克是亚利桑那大学天文学的董事教授。这个故事最初是在谈话

詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2021年12月18日进入太空。通过它,天文学家希望发现宇宙中第一个形成的星系,在其他行星周围寻找类似地球的大气层,并实现许多其他科学目标。

我是一个天文学家近红外相机的首席研究员或者NIRCam韦伯望远镜的短板。我参与了相机和望远镜的整体开发和测试。

为了看到宇宙深处,望远镜有一面非常大的镜子,而且必须保持在极冷的环境中。但将这样一个易碎的设备送入太空并非易事。我和我的同事们在设计、测试、很快发射和校准有史以来最强大的太空望远镜时,必须克服许多挑战。

镜子的黄金部分,传感器延伸到镜子前面。
为了探测到最遥远和最古老的星系,望远镜需要巨大且保持在极冷状态。照片:美国国家航空航天局/克里斯·甘恩CC的

年轻的星系和外来的大气层

韦伯望远镜有一个直径超过20英尺的镜子,一个网球场大小的遮阳板来阻挡太阳辐射四个独立的摄像头和传感器系统来收集数据

它的工作原理有点像卫星天线。来自恒星或星系的光线会进入望远镜的口,然后从主镜反射到四个传感器上:NIRCam,在近红外波段拍摄图像;的近红外光谱仪,它可以把从选定的光源发出的光分解成组成它们的颜色,并测量每种颜色的强度;的中红外仪器,在中红外波段拍摄图像并测量波长;和近红外成像无缝摄谱仪,它可以分割并测量科学家将卫星指向的任何物体的光线。

这种设计将使科学家们能够研究银河系中的恒星是如何形成的,以及太阳系外行星的大气层。甚至有可能计算出这些大气的组成。

一种复杂的镀金六角形乐器,立在四个银脚上
这里看到的NIRCam将测量来自非常遥远和古老星系的红外光。照片:美国国家航空航天局/克里斯·甘恩CC的

自从埃德温·哈勃证明了遥远的星系就像银河系一样,天文学家们就一直在问:最古老的星系有多古老?它们最初是如何形成的?随着时间的推移,它们发生了怎样的变化?韦伯望远镜最初被命名为“第一光机”因为它的设计就是为了回答这些问题。

该望远镜的主要目标之一是研究可观测宇宙边缘附近的遥远星系。这些星系发出的光穿越宇宙到达地球需要数十亿年。我估计,我和我的同事将用NIRCam收集的图像可以显示大爆炸后仅3亿年形成的原星系——当时它们的年龄仅为当前年龄的2%。

寻找大爆炸后形成的第一批恒星聚集是一项艰巨的任务,原因很简单:这些原星系非常遥远,因此看起来非常微弱。

韦伯的镜子由18个独立的碎片组成,可以收集更多的碎片是哈勃太空望远镜反射镜的六倍.远处的物体看起来也非常小,所以望远镜必须能够尽可能地聚焦光线。

望远镜还必须应付另一个复杂的问题:因为宇宙在膨胀在美国,科学家将用韦伯望远镜研究的星系正在远离地球,多普勒效应开始发挥作用。就像救护车的警笛声在经过并开始远离你时变低变深一样,来自遥远星系的光的波长也从可见光变低为红外光。

一面金色的镜子,下面铺着好几层银色的材料。
金色镜子下面的五层银色材料是一个遮阳板,可以反射光和热,使传感器保持难以置信的寒冷。照片:美国国家航空航天局/克里斯·甘恩CC的

韦伯能探测红外光——它本质上是一个巨大的热望远镜。要在红外光下“看到”暗淡的星系,望远镜需要处于异常寒冷的环境,否则它只能看到自身的红外辐射。这就是隔热板的作用所在。这个防护罩是由一层镀有铝的薄塑料制成的。它有五层,长46.5英尺(17.2米),宽69.5英尺(21.2米)将镜子和传感器保持在零下390华氏度(零下234摄氏度)

韦伯望远镜是一项令人难以置信的工程壮举,但人们如何将这样的东西安全送入太空并保证它能正常工作呢?

组装好的望远镜被从一个大房间里推了出来。
工程师和科学家在一个极冷的低压低温真空室中测试了整个望远镜。照片:美国国家航空航天局/克里斯·甘恩CC的

测试和演练

詹姆斯·韦伯太空望远镜将围绕a距离地球百万英里——大约是国际空间站的4500倍远,太远了,宇航员无法进行服务。

在过去的12年里,该团队测试了望远镜和仪器,摇晃它们以模拟火箭发射,然后再次测试。所有东西都已经冷却并在极端的轨道运行条件下进行了测试。我永远不会忘记我的团队在休斯顿使用为阿波罗月球车设计的舱室测试NIRCam的时候。这是我的相机第一次探测到从望远镜镜面反射回来的光线,我们高兴极了——尽管飓风哈维正在外面与我们搏斗。

坐在桌子前使用电脑的人。
在太空望远镜科学研究所进行的预演和训练对于确保组装过程顺利进行和处理任何意外异常都至关重要。照片:美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所CC的

测试之后是排练。该望远镜将通过无线电链路发送命令进行远程控制。但由于望远镜距离太远——信号发送到一个方向需要6秒——因此无法实时控制。在过去的三年里,我和我的团队一直在太空望远镜三英洁具ce研究所在巴尔的摩,在模拟器上执行从发射到常规科学操作的所有预演任务。该团队甚至练习了如何处理测试组织者抛给我们的潜在问题,并巧妙地称之为“异常”。

一束高大的长方形的银色材料,金色的镜子和金属框架。
为了装进火箭,望远镜需要折叠成一个紧凑的包装。照片:美国国家航空航天局/克里斯·甘恩CC的

一些校准要求

韦伯团队将继续排练和练习,直到12月的发射日期,但我们的工作远没有完成后,韦伯折叠和装载到火箭。

我们需要在发射后35天等待部件冷却,然后开始校准。在镜子展开后,NIRCam将捕捉到各个镜子片段的高分辨率图像序列。望远镜团队将分析这些图像,并告诉发动机以十亿分之一米的速度调整这些碎片。一旦马达把镜子移到合适的位置,我们就能确认望远镜的排列是完美的。这个任务非常关键,因此在机上有两个相同的NIRCam副本——如果其中一个失败了,另一个可以接管校准工作。

这个校准和检查过程需要6个月。完成后,韦伯将开始收集数据。经过20年的工作,天文学家们终于有了一台望远镜,能够窥见宇宙中最遥远的地方。

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