詹姆斯·韦伯太空望远镜

郭红锋

詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST）是美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大航空航天局联合研发，作为哈勃望远镜继任者的太空望远镜。它于2021年12月25日发射升空，于2022年1月24日到达预定目的地（日地轨道第二拉格朗日点L2）

这架太空望远镜是为纪念美国国家航空航天局（以下简称为NASA）第二任局长詹姆斯·韦伯（在任时为美国航天事业掀开了新的篇章，领导了探测月球和“阿波罗”登月等计划）而命名。詹姆斯·韦伯太空望远镜采用了很多与哈勃望远镜不一样的高新技术和观测方法，是NASA史上最复杂的项目之一。它的特点是口径大（6. 5米）、距离远（拉格朗日点L2距离地球150万千米），能在超低温环境（零下240℃左右）下工作，可以观测到宇宙红外线辐射（信号微弱需要防环境辐射），缺点是无法派航天员进行维修保养。所以，它的设计和地面运行试验耗时、耗力，力争达到完美无缺，才发送到太空。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的目标任务主要是勘测比哈勃望远镜更遥远的太空，捕捉宇宙大爆炸后仅1亿年的光线，以便调查大爆炸理论预言的残余红外线证据，即观测宇宙的初期状态、提供宇宙形成期第一个星系的图像、探索遥远恒星周围的行星。为此，它配备了高敏度红外线传感器、近红外照相机、近红外摄谱仪、中红外装置、精细导星传感器等观测设备。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的镜面由主镜、副镜构成的反射系统和三个次镜构成的消像差系统组成，没有镜筒（镜面和聚光部件都露在外面，类似射电望远镜的天线）。主镜直径6.5米，由18块子镜拼接而成（每块六角形子镜直径1.3米，质量约40千克），发射时折叠，发射后在高精度微型马达和波面传感器的控制下展开。因无重力和大气影响，詹姆斯·韦伯太空望远镜主镜在初期展开调整好后将不会有太多改变，不需要像地面望远镜那样在观测中实时用主动光学辅助调整镜面形状，只需要每10天左右检查校准一次。

为了防止望远镜本身和环境辐射的红外线影响观测宇宙极微弱的红外信号（理论上任何一个物体都会辐射出红外信号，但温度越低，物体辐射的红外信号越弱），詹姆斯·韦伯太空望远镜需要在极寒温度下工作。金属铍材料有极高的刚性和轻质特性，在极寒环境下不易变形，因此组成詹姆斯·韦伯太空望远镜的部件绝大部分采用了铍材料，例如子镜衬底为厚度5厘米的铍材料。铍衬底的前反射面被高度抛光，表面粗糙度小于20纳米，镀一层纯金薄膜来增加反射效率，鈹衬底的后面采用铍材料组成支撑与传动力部件。铍材料的轻质特性使詹姆斯·韦伯太空望远镜的面积为哈勃太空望远镜的5倍以上，质量仅为6.2吨（约为哈勃太空望远镜的一半）。

安装在子镜背面的促动器能够促动纳米尺度的微小位移，从而使镜面具备最佳的光学性能。18块子镜背面各含6台用于移动和转动子镜的促动器，全部子镜可在促动器作用下排布成一面巨大的整镜（拥有完全相同的“曲率中心”，确保它们的焦点重合），对宇宙目标会聚合成像。

地面工程师将向所有促动器发送指令来调整整个拼接主镜面，这一过程开始将耗时两个月。一旦完成全面调整使詹姆斯·韦伯太空望远镜投入正常工作后，只需每10到14天进行一次镜面调校工作。借助这项新技术，詹姆斯·韦伯太空望远镜将成为首台采用拼接主镜的天基天文台。

为避免观测目标以外的红外辐射，望远镜整体不仅要在极限低温环境下工作，还要避开来自太阳、地球和太阳系其他天体的光照。为此，詹姆斯·韦伯太空望远镜安装了具有精确定向功能和折叠功能的遮光板，用于屏蔽来自观测目标以外的干扰红外辐射源。巨型遮阳装置面积接近一个网球场大，有五层结构，像一把巨大的遮阳扇，遮蔽了望远镜上的所有组件（望远镜就安装在遮阳板上）。

拉格朗日点是限制性三体问题里的5个特解。

当三个天体里第三个天体的质量远小于另外两个天体时，这个小天体就几乎不影响另外两个大天体的运动，此时可以把问题简化为两体问题，而两体问题的运动轨迹符合开普勒三定律。当出现第三个小天体，这个小天体还要稳定地留在这个体系里，它就只能在5个拉格朗日点附近（这就是限制性三体）。在限定圆形轨道条线下，小天体在圆周五个点上可以相对两大天体静止不动！这就是5个拉格朗日点 L1～L5（在18世纪由数学家欧拉和拉格朗日推导证明）。

在下图的日地系统中，M1代表太阳，M2代表地球，5个拉格朗日点L1～L5分布在地球绕日轨道上。其中，L2点位于日地连线上的地球外侧约150万千米处，是探测器、太空望远镜定位和观测太阳系的理想位置，也是国际深空探测的热点位置。