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詹姆斯•韦伯望远镜JWST

詹姆斯·韦伯望远镜(James Webb Space Telescope ,JWST)原名下一代空间望远镜(Next Generation Space Telescope ,NGST),2002年以NASA局长名字(James Webb)重新命名,为纪念其在任期间领导的阿波罗登月计划等一系列空间项目并取得卓越成就。

经过近三十年的艰苦努力,由美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(CSA)共同建造的詹姆斯·韦伯望远镜(JWST)终于在2021年12月25日成功发射到距离地球150万公里的拉格朗日点L2。

JWST口径为6.5m,采用拼接主镜(由18块六角形铍子镜构成),为了减小发射时的体积,主反射面采用了折叠式设计,升空后方才展开。

JWST的集光面积为哈勃的5倍以上,工作波段为0.6~28.5μm,冷却到35K。与其前身哈勃空间望远镜不同,JWST聚焦于红外波段,包括从第一批恒星和星系发出的光。

JWST光学系统采用的是主镜、次镜和第三镜组成的柯尔施光学系统,能够实现宽视场的同时消除色差、彗差和像散。

JWST子镜口径达到了1.32米,由金属铍制成,采用蜂巢结构以减轻重量,表面镀金(增加铍在红外波段的反射率),每块子镜后面有7个触动器来调节位置,精度可达10纳米。次镜直径0.74米,后面安装6个触动器,整个望远镜有132个触动器。触动器由微型步进马达驱动,能够以58纳米步长粗调,或7纳米步长微调。望远镜的大型遮阳罩由五层涂有硅和铝的聚酰亚胺薄膜制成,可有效隔断来自太阳、地球和月亮的热辐射,使望远镜系统保持在低于绝对温度50K的低温状态下。

詹姆斯•韦伯望远镜JWST

JWST在发射前总装集成进行很多实验和测试。左图展示主镜处于完全展开状态,次镜折叠;右图展示在实验室测试韦布装在火箭里的折叠姿态。

JWST携带四个科学终端仪器:近红外相机NIRCam、近红外光谱仪NIRspec、中红外成像光谱仪MIRI和精确导星相机FGS/近红外成像无缝光谱仪NIRISS。

1):NIRCam工作波段0.6-5微米,配备10片4百万像素的近红外芯片(夜视仪采用同类芯片),近红外相机也用作望远镜调焦和镜面精准控制的的波前成像。

2):NIRSpec能够获得0.6-5微米的光谱,有多目标、积分视场和长缝三种光谱观测模式。通过旋转光栅转轮实现三个模式之间的切换。多目标观测时,还启用一个技术先进的微狭缝生成器对选定的数百天体设定通光狭缝。

3):MIRI工作波段5-27微米,由一个中红外相机和一个成像分光仪组成。

4):CSA研制的FGS和NIRISS集成在一起,除了用来精确控制望远镜姿态以外,还能够在0.8-5微米波段成像和无缝光谱。

韦布能够提供比哈勃更高的红外分辨率和灵敏度,比哈勃探测到的最微弱信号还要低100倍。

韦布之所以侧重在近红外到中红外的观测能力的主要原因有三:

1):由于红移效应,高红移天体的静止光学波段辐射只能在红外窗口来观测;

2):宇宙中低温天体(如原行星盘和系外行星)和介质的辐射主要集中在红外波段;

3):地面观测和现有空间望远镜(如哈勃望远镜)难以开展红外波段高灵敏度的观测。

JWST的探测能力远超此前的地面和空间观测设备,能够对宇宙最遥远的天体(包括第一代恒星和形成的第一代星系)进行观测,也能够辨识近邻恒星-行星系统中潜在宜居系外行星的大气成分。

 
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