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詹姆斯·韦伯空间望远镜

詹姆斯·韦伯空间望远镜

詹姆斯·韦伯空间望远镜( James Webb Space Telescope，JWST ) 是太空中在役的口径最大的天文望远镜。它配备的高分辨率仪器使其能够看到哈勃空间望远镜无法观测到的微弱星体，极大拓展了天文学、宇宙学及相关交叉学科的研究范围，开展对于最早诞生的第一批恒星、第一批星系及潜在宜居行星的观测研究。

韦伯望远镜的设计和开发由美国航空航天局(NASA) 领导，欧洲航天局(ESA) 和加拿大航天局(CSA)参与合作，主镜由 18 块六边形镀金铍镜面组合而成，整体直径达6.5米（21 英尺），面积约为 25 平方米。而哈勃望远镜的主镜直径为2.4 米（7 英尺 10 英寸），韦伯的镜面面积约为哈勃的六倍。与观察近紫外和可见光（0.1- 0.8 μm）以及近红外（0.8-2.5μm）光谱的哈勃空间望远镜不同，韦伯望远镜观测的频率更低，在长波可见光到中波-红外线（0.6–28.3μm）范围。它部署在日地L2拉格朗日点附近的太阳轨道上，距离地球约 150 万公里（930,000 英里）。

1996 年，“下一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope，NGST）计划上马。原计划 2007 年发射，项目预算为 10 亿美元。2002年命名为“詹姆斯·韦伯”空间望远镜，2005 年项目进行了大规模的重新调整，在计划成本严重超支并数度延误之后，2021 年 12 月 25 日，终于在法属圭亚那库鲁由“阿丽亚娜”5 号火箭发射升空，并于次年1月抵达日地L2拉格朗日点。2022年7月11日，韦伯望远镜拍摄的第一张图像向外界发布。

发展历程

人类航天事业对大型红外太空望远镜的渴望可以追溯到几十年前。美国在研制航天飞机的同时就规划了太空红外望远镜设施（后来发展为斯皮策太空望远镜），但是红外望远镜有一个缺点：需要保持冷却，而冷却剂会慢慢蒸发，极大地限制了望远镜的使用寿命。

起源

在哈勃空间望远镜（HST）发射后，由于哈勃卫星在建造过程中产生了一些难以挽回的光学缺陷，20世纪80年代，美国有关部门开始筹划其后续卫星， 90 年代初期，正式展开了规划工作。受到1993年STS-61航天飞机任务中在轨维修哈勃望远镜并取得成功的影响，1994年，HST \u0026 Beyond 委员会成立，旨在研究 21 世纪头几十年太空光学-紫外天文学的可能任务和计划，并在1996年的报告中提出了更大、更冷、对红外敏感的望远镜的概念，设想中，该望远镜可以用于观测宇宙间第一个诞生的星系。但这个激进的科学目标超出了哈勃空间望远镜的能力，因为它被自身光学系统的红外线辐射所蒙蔽，无法达到这项目标所需要的灵敏度。在将哈勃望远镜寿命延长至 2005 年的同时，美国航空航天局还采纳了 HST \u0026 Beyond 的主要建议即开发大型冷空间望远镜（辐射冷却远低于 0 °C），由此开始了这项今天称为JWST的项目的早期规划。

项目的具体内容起源于1990 年代中期的NGST 概念，计划将 8 米孔径的望远镜发射到日地拉格朗日L2点，粗略估计耗资 5 亿美元。1997 年，NASA 与戈达德太空飞行中心、 Ball Aerospace \u0026 Technologies 和TRW合作，对三个不同的概念进行技术论证和成本研究，并于 1999 年进一步选择了洛克希德·马丁公司和 TRW 进行初步概念研究。当时计划在 2007 年发射。

2000 年，《天文学和天体物理学十年调查》（由美国国家研究委员会编制的文献综述，包括确定研究重点和为即将到来的十年提出建议）中，明确指出：进一步开发被称为“下一代空间望远镜”的科学计划望远镜。

2002 年，该项目以美国航空航天局第二任行政长官（1961-1968 年）詹姆斯·韦伯（1906-1992 年）的名字重新命名。

2003 年，NASA 授予 TRW 价值 8.248 亿美元的 JWST 主要合同。该设计要求开发口径缩小至 6.1 米的空间望远镜，并计划于 2010 年发射。同年，TRW 被诺斯罗普·格鲁门公司格鲁门公司收购，成为诺斯罗普·格鲁曼空间技术公司。望远镜的开发工作由美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理。

调整

2005年，由于项目成本超标，JWST项目进行了重新规划。主要是在是技术集成和测试计划两方面进行了大幅调整发，发射延迟 22 个月（从 2011 年到 2013 年），并且取消了对波长小于 1.7 微米的观察要求。经调整后，项目的生命周期成本估计为 45 亿美元。这包括约 35 亿美元的设计、开发、启动和调试，以及约 10 亿美元的十年运营成本。

欧洲、加拿大加入

欧洲航天局于 2004 年同意出资约 3 亿欧元。加拿大航天局在 2007 年出资了 3900 万加拿大元，并在 2012 年交付了设备捐助，用于探测遥远行星上的大气状况。

详细设计

2007年1月，JWST项目的十项技术中的九项的开发工作顺利通过了审查，确认这些技术已经足够成熟，能够有效降低项目遇到的风险。2007 年 4 月，最后一项技术（MIRI低温冷却器）完成通过审查，项目进入详细设计阶段。

2008年3月，该项目成功完成了初步设计审查（PDR）。

2008年4月，该项目通过了外部审查。综合科学仪器模块审查于 2009 年 3 月完成，光学元件审查于 2009 年 10 月完成，遮阳板审查于 2010 年 1 月完成。

2010 年 4 月，JWST项目通过了关键任务设计审查 (MCDR) 的技术部分，标志着其能够满足任务规划的所有科学和工程要求。计划发射时间推迟到2015 年（最迟2018 年）。同时，其成本再次超支。

制造

2011 年，JWST 项目已进入最终设计和制造阶段。主镜六角形部分的组装于 2015 年 11 月开始，并于 2016 年 2 月 3 日完成。次镜于 2016 年 3 月 3 日安装。 2016 年 11 月，韦伯望远镜完工，之后进入测试环节。

2018年3月，由于遮阳罩测试期间撕裂并且电缆没有充分收紧，美国航空航天局将韦伯望远镜的发射时间再次推迟 2 年，来到了2020年5月。同年6 月，在独立审查委员会对本次故障进行评估后，发现共有 344 个潜在的单点故障隐患，且均对望远镜的在轨工作有严重影响，NASA 将发射再推迟 10 个月至 2021 年 3 月。

2019 年 8 月，韦伯望远镜的机械集成工作完成，相比于最早规划的 2007 年已经延迟了12年。

施工完成后，韦伯望远镜在加利福尼亚州州雷东多海滩的诺斯罗普格鲁曼公司工厂进行了最终测试，后于2021年9月26日离开加利福尼亚，经船运，于2021年10月12日抵达法属圭亚那。

发射入轨

2021 年 12 月 25 日，UTC 12:20，韦伯望远镜由阿丽亚娜 5 号火箭从法属圭亚那合作共和国的圭亚那航天中心发射升空。确认望远镜正在接收电力，发射后 27 分望远镜从火箭上分离，并计划用时30天抵达预定轨道。

2022 年 1 月 24 日，韦伯望远镜到达日地拉格朗日L2点。期间进行了三次航向修正，以调整其速度和方向。从发射后 31 分钟开始，韦伯望远镜耗时约13天，调整了其太阳能阵列、天线、遮阳罩和镜面，除了两个早期的自动化操作——太阳能电池板展开和通信天线部署——几乎所有的操作都由位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所指挥。

在轨调试

为确认镜面展开到位和已经完成校准，美国航空航天局在 2022 年 2 月 3 日UTC 19:28 宣布 NIRCam（韦伯望远镜上的一个载荷）已检测到望远镜的第一个光子（尽管尚未完成图像）。 2022 年 2 月 11 日，NASA，宣布：韦伯望远镜几乎完成了校准的第一阶段，以目标恒星 HD 84406 为参照，主镜的每一个部分都已经完成对准并对其成像，并且所有部分都大致对齐。第一阶段对齐于 2022 年 2 月 18 日完成。在调试主镜的同时，其他仪器调试和校准任务也在进行中。

2022年4月29日，韦伯望远镜完成了所有七个阶段的镜面校准工作，确认能够其四台机载科学仪器中都能捕捉清晰、对焦良好的图像，准备进入最后一系列准备工作，即计划耗时两个月的科学仪器调试。七个阶段的工作内容分别为：

开始工作

2022年7月，美国航空航天局发布了韦伯望远镜拍摄的第一张全彩色照片，韦伯望远镜正式进入工作阶段。

任务目标

詹姆斯韦伯太空望远镜有四个主要目标：

此外，它将能够判断太阳系外行星的大气中是否含有甲烷，帮助天文学家研究甲是否意味着生物活动。

性能特点

詹姆斯·韦伯空间望远镜重约6.2吨，使用镀金铍主镜，直径6.5米，由 18 个独立的六边形镜面组成，镜面面积为26.3平方米，其总收集面积为25.4平方米。相比著名的哈勃空间望远镜望远镜，其直径加大了4米，收集面积大六倍多（哈勃的收集面积为4.0平方米）

韦伯望远镜搭载多种观测仪器，它主要工作于近红外波段，也可观测橙色、红色可见光及中红外区域。它可以探测的最暗物体亮度是哈勃望远镜的百分之一，还可以继续上溯可观测宇宙的历史，可对红移z≈20（宇宙时间，宇宙大爆炸后大约 1.8 亿年）的天体进行观测，因此可用于开展对第一批恒星和星系的观测。

韦伯望远镜倾向于在近红外到中红外波段展开空间天文观测的主要原因为：

相比之下，地面望远镜受到大气层的遮挡和干扰，很难准确收到纯净的太空红外信号；哈勃等较早期的太空望远镜镜面温度较高（如哈勃的镜面温度约 15 °C/288 K/59 °F），自身辐射强烈，也难以在相关波段进行观察。韦伯空间望远镜填补了这一空白。

韦伯还可以观察太阳系中与太阳成 85° 以上角度且视角运动速度小于每秒 0.03 角秒的物体，涵盖了火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星以及这些行星/矮行星的卫星、彗星、小行星和超出火星轨道的小行星，也能够观测几乎所有已知的柯伊伯带天体。此外，它还可以捕捉如超新星爆发和伽马射线暴等观测计划外的偶发事件。

轨道参数

韦伯望远镜部署在日地第二拉格朗日点L2的晕轮轨道，相对于太阳来说，处于地球外侧150万公里的位置上，并与地球同步绕日公转，因而能够使太阳、地球和月球处于望远镜的同侧，与之相对方位和距离大致不变，避开了地球和月球的阴影区，同时其遮阳罩可以同时阻挡来自这三个天体的热量和光线，从而防止对镜体造成的温度变化，确保望远镜温度稳定低于微弱红外观测所需的 50 K（-223 °C/-370 °F）。也保证了与地球保持不间断的通信。

由于L 2只是一个引力平衡点，晕轮轨道不是通常意义上的稳定轨道：航天器实际上是在绕太阳运行的轨道上，晕轨道可以被认为是受控漂移到保持在 L 2点附近。

光学设计

在镜体结构方面，由于“阿丽亚娜”火箭整流罩尺寸限制，韦伯望远镜的主镜由18个六边形镜片组成，发射时折叠收纳，入轨后展开并精确定位。每个独立镜片都使用相位恢复波前传感技术进行校准，以确保其位置和方向的精度。韦伯望远镜总共使用了 132 个小型驱动电机来定位和调整光学器件。这些驱动器可以以10纳米的精度定位反射镜，确保高质量的观测数据。此后每数天调整一次位置即可。

在成像方面，韦伯望远镜采用三镜消像差光学技术，通过弯曲的二级和三级镜来提供宽视场内无光学畸变的图像。其中，主镜的直径为6.5米，副镜的直径为0.74米，三级镜的直径为0.3米。此外，望远镜还配备了一个精细的导星系统和一个可进行微调的转向镜，以确保望远镜对准目标并提供图像稳定，能够保证更高的分辨率和灵敏度，从而能够观测到更遥远、更微弱、更古老的宇宙物体，例如早期星系和原始星云。

科学仪器

韦伯望远镜上搭载有综合科学仪器模块(ISIM) ，可为望远镜提供电力、计算资源、冷却能力以及结构稳定性。模块由石墨-环氧树脂复合材料制成，并装载了四台科学仪器和一个导星相机：

NIRCam 和 MIRI 具有遮挡星光的日冕仪，用于观察暗淡的目标，例如非常靠近明亮恒星的太阳系外行星和星周盘。

总线架构

詹姆斯·韦伯太空望远镜的总线上承载着大量的计算、通信、电力、推进和结构部件，总线的结构质量为 350 公斤，主要由石墨复合材料制成，运行温度约为 300 K。可以以一角秒的指向精度旋转韦伯望远镜，并将振动幅度控制到两毫角秒内。

推进系统

韦伯有两对火箭发动机（一对为冗余备份），用于在望远镜前往日地第二拉格朗日点L2的途中进行航向修正和轨道保持。姿态控制系统则使用了八个较小的推进器。推进剂为——四氧化二氮双组元液体推进剂。

在轨维护

韦伯望远镜为方便未来的维修任务进行了相关的设计，如表面十字形的精确引导标记和可再填充的燃料箱、可拆卸的热保护器和对接点。但由于无人驾驶的远程任务技术的落实时间已经超出了韦伯望远镜的设计使用时间，韦伯望远镜可能不再计划在轨维护。

软件系统

韦伯空间望远镜的科学操作将由 ASCII 机载脚本驱动，使用 ECMAScript 编写，由用 C++ 编写的飞控软件运行，并实现了模块化设计流程。

与其他望远镜的比较

对大型红外太空望远镜的渴望可以追溯到几十年前。在美国，在研制航天飞机的同时计划了太空红外望远镜设施（后来称为斯皮策太空望远镜），当时人们认识到红外天文学的潜力。与地面望远镜不同，太空天文台不受大气吸收红外线的影响。空间天文台为天文学家开辟了一片全新的“天空”。

然而，红外望远镜有一个缺点：它们需要保持极冷，红外波长越长，它们需要越冷。否则，设备本身的背景热量就会淹没探测器，使其实际上失明。这可以通过仔细的航天器设计来克服，特别是将望远镜放在装有极冷物质（如液氦）的杜瓦瓶中。冷却剂会慢慢蒸发，将仪器的使用寿命从短至几个月限制到最多几年。

在某些情况下，可以通过航天器的设计将温度保持在足够低的水平，以便在没有冷却剂供应的情况下进行近红外观测，例如斯皮策太空望远镜和宽视场红外中国空间站工程巡天望远镜探测器的扩展任务，它运行冷却剂耗尽后容量减少。另一个例子是哈勃空间望远镜的近红外相机和多目标光谱仪(NICMOS) 仪器，它开始使用一块几年后耗尽的氮冰，但随后在STS-109维修任务期间更换为低温冷却器连续工作。詹姆斯·韦伯太空望远镜设计为无需杜瓦瓶即可自行冷却，使用遮阳罩和散热器的组合，中红外仪器使用额外的低温冷却器。

JWST 的延迟和成本增加与其前身哈勃太空望远镜相比。1972 年哈勃正式启动时，它的开发成本估计为 3 亿美元（相当于 2021 年的 194343.7 万美元），但到 1990 年它被送入轨道时，成本大约是它的四倍。此外，到 2006 年，新仪器和维修任务使成本增加到至少 90 亿美元（相当于 2021 年的 12,097,557,000 美元）。

成果

当地时间2022年7月12日，美国航空航天局（NASA）举办新闻发布会，展示詹姆斯·韦伯空间望远镜拍摄的第一张全彩色照片。随后，公布了韦伯空间望远镜拍摄的首批全套全彩宇宙深空图像。

当地时间2022年8月22日，NASA发布了韦伯望远镜拍摄的木星图像，显示了木星及木星环、微小卫星甚至星系的细节，将为科学家提供更多关于木星内部生命的线索。

2022 年 8 月 24 日，天文学家通过韦伯望远镜获得的透射光谱观测结果详细研究了系外气态巨行星 WASP-39b大气中的二氧化碳成分，该行星距地球700光年，大小与土星相当。这是人类首次在系外行星上确认检测到二氧化碳，“开启了太阳系外行星大气科学的新时代”。

2022年9月2日，美国航空航天局发布了韦伯望远镜首次拍摄的太阳系外行星的直接图像，显示了系外行星HIP 65426 b在不同的红外波段下呈现的特征，该行星质量约为木星的6至12倍，为距今大约1500万到2000万年前成形，围绕一颗距离地球400光年的恒星运行。本次也是人类首次在太空拍摄到太阳系外行星的直接图像，而且拍摄精度远超预期。

2022年9月19日，韦伯望远镜发布了其拍摄的首张火星红外图像，捕获了整颗行星的大气数据，这将帮助天文学家识别以前仪器无法识别的现象和气体，更好地了解火星的大气层。

2022年12月16日，一个国际天文学家小组利用韦伯望远镜，确认了迄今最遥远星系，该星系距离地球134亿光年，在宇宙大爆炸后3.25亿年内形成，这也是天文学家首次通过确切计算证明其非常遥远的星系。

2023年3月，韦伯望远镜捕捉到了一颗濒死恒星的短暂状态，这一状态是它们爆炸成为超新星之前的最后一步，非常罕见。

2023年1月11日，韦伯望远镜首次发现一颗新的系外行星LHS475b，该行星距地球41光年，位于八角星座。

2023年6月27日，韦伯望远镜在人类历史上首次探测到太空中的“关键碳化合物”，即甲基阳离子CH3+，位于大约1350光年外的猎户座星云中，CH3+有助于形成更复杂的碳基分子，而碳化合物构成了所有已知生命的基础，韦伯望远镜以新的方式开启了星际有机（含碳）化学的研究。

国际合作

自1996 年以来，美国航空航天局（美国国家航空航天局）、欧洲航天局（欧洲航天局）和 CSA （加拿大航天局）就在这一望远镜项目上展开合作。2003 年，ESA 获准参与建造和发射，并于 2007 年与 NASA正式签署协议，获得了充分的合作伙伴关系并为其提供 NIRSpec 仪器、MIRI 仪器的光学平台组件、“阿丽亚娜”5号火箭以及相关操作人员。 CSA 则提供了精细制导传感器和近红外成像仪无狭缝摄谱仪以及配套的操作人员。

来自 15 个国家/地区的数千名科学家、工程师和技术人员为韦伯望远镜的建造、测试和集成做出了贡献。共有258家公司、政府机构和学术机构参与了该项目；美国142人，欧洲12国104人（其中英国21人，法国16人，德国12人，国际7人），加拿大12人。部分作为美国航空航天局合作伙伴的其他国家（例如澳大利亚）也参与了项目。