歷史上延遲時間最長的望遠鏡不僅將經歷關鍵時刻，還將在接下來的幾個月里經歷一系列關鍵時刻。

如果--也只有在--所有這些步驟都成功的情況下，NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將開始史無前例地獲取數據，以前所未有的力量和一系列無與倫比的儀器和能力探索宇宙。

盡管如此，還是值得欣賞一些令人驚嘆和新奇的工程技術，這些工程技術已經投入到這臺望遠鏡的設計和執行中。

這里有10個關于NASA最新也是最偉大的天文臺的令人難以置信的事實。

美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在馬里蘭州格林貝爾特的潔凈室中檢查時顯示，它是完整的。

它已經在阿麗亞娜5號火箭中運輸、測試、加油并準備發射。

在2021年12月25日，以及之后大約一個月的時間里，它將接受終極考驗：發射和部署。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡實際上比它的前身哈勃太空望遠鏡輕很多。

對于大多數人來說，這一次真的很令人震驚。

在大多數情況下，如果你想建造一個更大版本的東西，它會變得更重、更大。

哈勃望遠鏡直徑2.4米，有堅固的主鏡，收集面積為4.0平方米。

詹姆斯·韋伯的直徑為6.5米，由18個不同的鏡段組成，收集面積為25.37平方米。

然而，如果我們把它們都放在地球上的秤上，我們會發現韋伯的質量約為6500公斤。

相比之下，當哈勃發射升空時，它的質量約為11,100公斤，加上升級后的儀器，它現在的質量約為12,200公斤。

這是一項巨大的工程壯舉，因為在適用的情況下，詹姆斯·韋伯上的幾乎每一個部件都比它的哈勃類似物輕。

韋伯的每面鏡子都有一個單獨的名稱。

A、B或C表示段是三個鏡像處方中的哪一個。

這些照片顯示了望遠鏡上每面鏡子的飛行版本。

詹姆斯·韋伯的鏡子是有史以來最輕的大型望遠鏡鏡子。

在最初制造時，18個主鏡段中的每一個都是一個彎曲的圓盤形狀，質量為250公斤。

然而，當它們完工時，重量已經減少到只有21公斤，或者說重量減輕了92%。

實現這一目標的方式令人著迷。

首先，鏡子被切割成六角形，質量略有降低。

但后來--這就是它變得輝煌的地方--實際上鏡子“背面”的所有物質都被機械加工掉了。

剩下的部分已經過測試，以確保它將：

即使在發射的壓力下也能保持它的精確形狀。

不會在振動和張力下破裂，盡管它很脆。

在預期數量和速度的微流星體撞擊中幸存下來。

對所需的形狀變化保持敏感，這些變化將由連接到背面的執行器進行調整。

總而言之，這18面鏡子將形成一個像鏡子一樣的平面，精確度達到18到20納米：這是有史以來最好的，所有這些鏡子都是有史以來制造的最輕的。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的反射鏡甚至在第一次低溫冷卻發生之前就已經移除了90%以上的質量。

通過加工鏡子的背面，實現了巨大的重量減輕，使詹姆斯·韋伯總共幾乎輕了哈勃的一半。

雖然詹姆斯·韋伯的鏡子看起來是金色的，但實際上是由鈹制成的。

是的，每面鏡子上都涂了一層金色的涂層，但如果完全用黃金制造鏡子，那將是災難性的。

不，不是因為黃金的密度非常高，也不是因為黃金的延展性，這兩者都是黃金絕對擁有的特性。

最大的問題將是熱膨脹。

即使在非常低的溫度下，黃金也會隨著微小的溫度變化而大幅膨脹和收縮，這是韋伯鏡子的首選材料的決定性因素。

然而，鈹在這方面大放異彩。

通過將鈹冷卻到低溫，并在那里拋光，你可以確保在室溫下會有缺陷，但當這些鏡子再次冷卻到工作溫度時，這些缺陷就會消失。

只有在鈹被制造并加工成其最終形狀之后，才能涂上金涂層。

韋伯的鏡子在鍍上一層僅有約100納米厚的金原子之前，完全是由鈹制成的，這張照片展示了經過機械加工、拋光和許多其他重要步驟之后，但在經歷金的蒸氣沉積到鏡子表面之前的鏡子。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡鏡子中的黃金總量只有48克。

詹姆斯·韋伯的18面鏡子中的每一面都需要突出地反射它設計用來觀察的光的類型：紅外線。

涂抹的黃金數量需要恰到好處；涂得太少，你不會完全覆蓋鏡子，但涂得太多，當溫度變化時，你會開始經歷膨脹、收縮和變形。

涂覆金涂層的過程被稱為真空氣相沉積。

通過把“空白”鏡子放入真空室，在那里所有的空氣都被抽走，你就可以在里面注入少量的黃金蒸氣。

不需要涂層的區域，比如鏡子的背面，都被遮住了，這樣只有光滑、拋光的表面才會涂上一層金色的涂層。

這一過程一直持續到金達到所需的厚度，僅為~100納米，或約600個金原子厚度。

鍍金后，需要對反射鏡的彎曲度、公差、低溫性能等進行多項測試。

只有在所有這些測試都通過之后，最后一層無定形玻璃的涂層才最終被涂上，以保護黃金。

黃金本身不會直接暴露在太空中；它被覆蓋在一層薄薄的無定形二氧化硅玻璃上。

你為什么不直接把黃金暴露在太空深處呢？

因為它非常柔軟，延展性很強，即使是輕微或微小的撞擊也很容易損壞。

盡管鈹在很大程度上不會受到微流星體撞擊的影響，但薄薄的金涂層會受到影響，因此如果沒有額外的保護層，就無法保持望遠鏡運行所需的光滑度。

這就是最后一層“涂層上的涂層”的用武之地：無定形二氧化硅玻璃。

雖然我們通常會將鏡子與玻璃制成并在其上涂上某種涂層聯系在一起，但在這種情況下，玻璃的功能非常簡單：對光線透明，并保護黃金。

所以，是的，它是鍍金的，但黃金本身也需要用它自己的涂層來保護。

遮陽板的所有五層都必須沿著其支撐物正確展開和張拉。

每一個夾子都必須松開；每一層都不能卡住、卡住或撕裂；一切都必須正常工作。

否則，望遠鏡將無法正常冷卻，對紅外觀測將毫無用處：這是它的主要目的。

這里顯示的是遮陽板原型，比例為三分之一的部件。

詹姆斯·韋伯的“望遠鏡端”會被動地將自己冷卻到不高于50K：足以使氮氣液化的溫度。

詹姆斯·韋伯之所以需要被安置在離地球如此之遠的L2拉格朗日點，而不是像哈勃那樣處于低地球軌道上，是因為它將被前所未有地被動冷卻。

一個巨大的五層防曬罩是專門為詹姆斯·韋伯制作的，它能反射盡可能多的陽光，并遮擋住它下面的那一層。

如果它在近地軌道上，地球發出的紅外線熱量將阻止它達到必要的低溫。

鉆石形狀的遮陽板本身是巨大的：長尺寸為21.2米，短尺寸為14.2米。

每一層都有面向太陽的“熱面”和面向望遠鏡的“冷面”。

最外層的熱面溫度將達到383K，即231°F。當你到達最內層時，熱面只有221K，即-80°F，而冷面則一直下降到36K，或-394°F。只要望遠鏡保持在~50K以下，它就能按設計正常工作。

哈勃極深場的一部分，總共拍攝了23天，這與詹姆斯·韋伯預期的紅外模擬圖像形成了鮮明對比。

由于宇宙-韋伯場預計將達到0.6平方度，它應該會在近紅外線揭示大約50萬個星系，揭示出迄今為止還沒有天文臺能夠看到的細節。

雖然NIRCam將產生最好的圖像，但MIRI儀器可能會產生最深刻的數據。

有了主動的低溫冷卻，韋伯的溫度將一直降到~7K。被動冷卻達到的低溫在36到50K的范圍內，對于韋伯的所有近紅外儀器的運行來說是完全足夠的。

這包括它的四個主要科學儀器中的三個：NIRCam(近紅外相機)、NIRSpec(近紅外光譜儀)和FGS/NIRISS(精細制導傳感器/近紅外成像儀和無縫隙光譜儀)。

它們都設計成在39K下工作：完全在被動冷卻的范圍內。

但第四臺儀器，MIRI(中紅外成像儀)，需要冷卻到比被動冷卻更遠的地方，這就是制冷機的用武之地。

氦只有在大約4K時才會變成液體，所以通過在MIRI儀器上安裝液氦制冷機，韋伯的科學家可以將其冷卻到所需的工作溫度：~7K。你想要探測的光的波長越長，你需要讓儀器變得越冷，這是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡做出大多數設計決定的主要原因。

當彗星和小行星圍繞太陽運行時，它們可能會稍微解體，隨著時間的推移，軌道軌道上的碎片會伸展開來，導致我們在地球穿過泥石流時看到的流星雨，正如美國宇航局(NASA)的斯皮策太空望遠鏡拍攝的這張圖像所顯示的那樣。

只有在低于我們想要觀測的波長的溫度下冷卻，我們才能獲得這樣的數據；當涉及到詹姆斯·韋伯時，中紅外觀測是依賴于冷卻劑的。

與美國宇航局的斯皮策號不同的是，斯皮策號在冷卻劑耗盡后過渡到了一次“溫暖”的任務，而詹姆斯·韋伯則應該在其整個生命周期內保持較低的溫度。

保持詹姆斯·韋伯積極冷卻的液氦原則上永遠不應該耗盡；這是一個封閉的系統。

然而，正如任何曾經從事實驗物理工作的人都可以證明的那樣，無論你如何防范泄漏，都不可避免地會發生泄漏。

在最樂觀的情況下，韋伯的設計任務至少是5.5年，在最樂觀的情況下有可能達到10年或更長時間，如果它符合設計規范，它的低溫冷卻劑應該不會用完。

然而，總有出現問題的可能性，我們無法充分或在整個任務中主動冷卻中紅外成像儀，這將侵蝕韋伯對越來越長波長的敏感性。

(同樣的警告也適用于防曬罩損壞或效率低下的近紅外儀器。)

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的溫度越高，它可以探測的波長范圍就越窄。

此圖顯示了WMAP在第二個拉格朗日點(L2)周圍的軌跡和軌道模式。

WMAP到達L2的旅行時間為3個月，其中包括一個月的繞地球相位循環，以允許月球重力輔助推進。

在WMAP的使用壽命結束后，它用完了最后的燃料，離開了圍繞L2的利薩育軌道，進入了一個“墓地軌道”，在那里它將繼續無限期地繞太陽運行。

當它耗盡燃料時，它的命運將是永久地居住在圍繞太陽的“墓地軌道”上。

哈勃在四次維修任務的協助下，在發射整整三十多年后仍在運行。

然而，每當Webb想要做任何涉及運動的事情時，它都需要使用它的燃料。

這包括：

修正其在L2的目的地的路線。

執行軌道校正以使其保持在L2的軌道上。

調整自身的方向，使其指向所需的目標。

燃料的供應是有限的，我們還剩下多少可供科學操作使用的燃料，完全取決于發射將韋伯送上通往其最終目的地的理想軌道的程度。

當它耗盡燃料時，科學行動就結束了。

然而，我們不能任由它漂流到任何地方，因為這可能會危及未來預定前往L2的任務。

取而代之的是，就像我們對之前發射到L2的航天器所做的那樣，比如NASA的WMAP衛星，我們將把它送到墓地軌道上，在那里，只要有太陽在軌道上運行，它就會繞太陽運行。

盡管它不是為維修而設計的，但從技術上講，機器人航天器仍有可能與詹姆斯·韋伯會合并對接，為其加油。

如果這項技術能夠在韋伯耗盡燃料之前開發和推出，它可以將韋伯的壽命延長約15年左右。

盡管它不是為維修和升級而設計的，但它可能會被機器人加油以延長其使用壽命。

令人遺憾的是，在所有這些努力之后，韋伯的生命將是如此有限。

當然，5到10年的時間足以了解大量關于宇宙的知識，實現大量雄心勃勃的科學目標，并為我們敞開大門，迎接我們可能還沒有想象到的偶然發現的可能性。

但是，在我們經歷了所有的發展和拖延之后，詹姆斯·韋伯的一生累積起來比他在地球上的全部時間都要短，這似乎是不夠的。

但還是有希望的。

有一個加油港，如果我們開發正確的無人駕駛技術，我們就可以進入。

如果我們能到達L2，與詹姆斯·韋伯對接，進入加油港，并為其加油，那么每次加油，任務的壽命可能會延長十年或更長時間。

有傳言稱，德國航空航天中心(DLR)可能會在韋伯壽命結束之前(大概在本世紀30年代初)進行這種類型的操作。

如果韋伯的工作完全像設計的那樣，并且像預期的那樣燃料有限，那么不采取這種選擇可能是浪費愚蠢的終極做法。