歷史上延遲時間最長的望遠鏡不僅將經(jīng)歷關(guān)鍵時刻，還將在接下來的幾個月里經(jīng)歷一系列關(guān)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(shù)據(jù)，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(shù)，這些工程技術(shù)已經(jīng)投入到這臺望遠鏡的設(shè)計和執(zhí)行中。

這里有10個關(guān)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(jīng)在阿麗亞娜5號火箭中運輸、測試、加油并準(zhǔn)備發(fā)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(fā)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(shù)人來說，這一次真的很令人震驚。

在大多數(shù)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(fā)現(xiàn)韋伯的質(zhì)量約為6500公斤。

相比之下，當(dāng)哈勃發(fā)射升空時，它的質(zhì)量約為11,100公斤，加上升級后的儀器，它現(xiàn)在的質(zhì)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(zhì)量為250公斤。

然而，當(dāng)它們完工時，重量已經(jīng)減少到只有21公斤，或者說重量減輕了92%。

實現(xiàn)這一目標(biāo)的方式令人著迷。

首先，鏡子被切割成六角形，質(zhì)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(zhì)都被機械加工掉了。

剩下的部分已經(jīng)過測試，以確保它將：

即使在發(fā)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(yù)期數(shù)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(zhí)行器進行調(diào)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(fā)生之前就已經(jīng)移除了90%以上的質(zhì)量。

通過加工鏡子的背面，實現(xiàn)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(zāi)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(dāng)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(jīng)過機械加工、拋光和許多其他重要步驟之后，但在經(jīng)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(shè)計用來觀察的光的類型：紅外線。

涂抹的黃金數(shù)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(dāng)溫度變化時，你會開始經(jīng)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(qū)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(xù)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(lián)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(fā)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(dāng)你到達最內(nèi)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(shè)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(yù)期的紅外模擬圖像形成了鮮明對比。

由于宇宙-韋伯場預(yù)計將達到0.6平方度，它應(yīng)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(jié)。

雖然NIRCam將產(chǎn)生最好的圖像，但MIRI儀器可能會產(chǎn)生最深刻的數(shù)據(jù)。

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(nèi)，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(xué)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(dǎo)傳感器/近紅外成像儀和無縫隙光譜儀)。

它們都設(shè)計成在39K下工作：完全在被動冷卻的范圍內(nèi)。

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(xué)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(shù)設(shè)計決定的主要原因。

當(dāng)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(dǎo)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(shù)據(jù)；當(dāng)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(wù)，而詹姆斯·韋伯則應(yīng)該在其整個生命周期內(nèi)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(yīng)該耗盡；這是一個封閉的系統(tǒng)。

然而，正如任何曾經(jīng)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(fā)生泄漏。

在最樂觀的情況下，韋伯的設(shè)計任務(wù)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(shè)計規(guī)范，它的低溫冷卻劑應(yīng)該不會用完。

然而，總有出現(xiàn)問題的可能性，我們無法充分或在整個任務(wù)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(huán)，以允許月球重力輔助推進。

在WMAP的使用壽命結(jié)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(xù)無限期地繞太陽運行。

當(dāng)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(wù)的協(xié)助下，在發(fā)射整整三十多年后仍在運行。

然而，每當(dāng)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(zhí)行軌道校正以使其保持在L2的軌道上。

調(diào)整自身的方向，使其指向所需的目標(biāo)。

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

當(dāng)它耗盡燃料時，科學(xué)行動就結(jié)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(yù)定前往L2的任務(wù)。

取而代之的是，就像我們對之前發(fā)射到L2的航天器所做的那樣，比如NASA的WMAP衛(wèi)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(shè)計的，但從技術(shù)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(shù)能夠在韋伯耗盡燃料之前開發(fā)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(shè)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(dāng)然，5到10年的時間足以了解大量關(guān)于宇宙的知識，實現(xiàn)大量雄心勃勃的科學(xué)目標(biāo)，并為我們敞開大門，迎接我們可能還沒有想象到的偶然發(fā)現(xiàn)的可能性。

但是，在我們經(jīng)歷了所有的發(fā)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(fā)正確的無人駕駛技術(shù)，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(wù)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(jié)束之前(大概在本世紀(jì)30年代初)進行這種類型的操作。

如果韋伯的工作完全像設(shè)計的那樣，并且像預(yù)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。