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Image shows the James Webb Space Telescope in Outer Space.Behind telescope are Stars, Galaxies and bright light from a star.
Image shows the James Webb Space Telescope in Outer Space.Behind telescope are Stars, Galaxies and bright light from a star.

 

 

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      詹姆斯·韦伯太空望远镜:第一台时光机


      试想一下,如果有一台强大的机器,可以让你看到135亿年前宇宙的面貌,见证其“诞生”的过程,详尽地了解这个伟大的故事,那么这台机器会是什么样子?人们亲切地将詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)称为“第一台时光机”。设计这个望远镜的目的是遥望宇宙的最远处,追溯时间的起点,观察大爆炸产生的原始气体凝聚而成的第一批恒星和星系。

      JWST是有史以来尺寸最大、功能最强、技术最为复杂的太空观测设备。它就像一把功能齐全的瑞士军刀,包含的科学仪器将对宇宙历史的每个阶段展开研究,监测未曾探索的部分空间和时间,并探测系外行星上可能存在的生物特征。

      作为一项天文领域的技术成就,詹姆斯·韦伯太空望远镜表现出了出色的精准度、电源管理和传感器技术水平,使其能够展现出早期远古宇宙发出的微弱红外信号。太空望远镜集人类智慧于大成,旨在从完全不同的角度观察天体,获取新的科学发现成果,从根本上转变我们对地球所处位置以及宇宙的理解。

      Graphic image descibing the Big Bang Expansion of the Universe as well as James Webb Space Telescopes location in present time.
      詹姆斯·韦伯太空望远镜已踏上探索的征程,穿越浩瀚无穷的太空,突破时间的限制回望过去,为我们揭开谜团,让我们了解早期星系的形成方式以及发展为宇宙的过程。
      NASA提供的图片

      韦伯望远镜让我们可以看到宇宙过去的面貌,因为它向我们展示的是过去的情况,而不是现在。


      以全球合作和多样性为基础的科学奇迹

      JWST在技术、国际合作以及宇宙探索活动方面实现了巨大进步。詹姆斯·韦伯太空望远镜的制作历经30年,总耗资100亿美元,14个国家或地区的创新者和参与者进行了制作。除美国、加拿大和欧洲的航天机构外,数千名工程师、数百名科学家、300所大学、相关组织机构以及技术公司也积极参与其中,而ADI公司也贡献了一份力量。

      在望远镜运行的第一年,约有6000个小时来执行科学家提出的一般观察者(General Observer)计划。在这些科学家中,女性占比为三分之一,她们来自40个不同的国家或地区。

      简要信息

      主镜尺寸:直径21.3英尺,由18个形可展开的镀金六边分镜组成

      防光罩:69.5英尺×46.5英尺。五层可展开式防光罩,大小则等于一个网球场的面积

      在太空中的位置:围绕第二个拉格朗日点(L2)绕太阳运行,距离地球约100万英里

      仪器:近红外摄像机(NIRCam)、近红外光谱仪(NIRSpec)、中红外仪器(MIRI)以及带有精细制导传感器(FGS)的近红外成像器和无缝光谱仪(NIRISS)

      波长:可见光、近红外线、中红外线(0.6微米至28.5微米)

      红外领域的开拓性成就

      相较于哈勃太空望远镜,JWST的镜面面积扩大了六倍,技术敏感度则提高了一百倍,它能够进行哈勃望远镜无法完成的任务。JWST的主镜可收集到哈勃望远镜和人眼看不到的部分电磁波谱的光线,也就是红外线,并向我们展示太空中原本隐藏的区域。

      Image shows an outer space Nebula called The Eagle Nebula. Image was captured in the Visible Light spectrum.
      可见光中的鹰状星云
      Image shows an outer space Nebula called The Eagle Nebula. Image was captured in the Infrared Light spectrum.
      红外光中的鹰状星云

      哈勃望远镜主要探测光谱中的可见光,因此其可以辨认的事物是有限的。然而,JWST可聚焦近红外光和中红外光,监测质量则比往任何时候都更加清晰灵敏。

      图片由NASA提供

      光在宇宙膨胀时产生拉伸的过程称为宇宙红移。对于很久以前在较短紫外线可见和波长中发出星光,现在则拉伸为波长较长的红外线。星体越远,所处区域越古老,光产生红移现象的程度就越大。红外线观测有助于天文学家更近距离地观察时间的起点,并在远古时代的太阳和星系首次出现时观察它们的形成过程。

      由于其波长较长,红外辐射可以穿透稠密的分子云,而这些分子云的尘埃阻挡了可见光天文仪器所能探测到的大部分光线。因此,借助高分辨率和高清晰度,原始宇宙首次进入到人们的视野中。

      Graphic Image shows the Light Spectrums and associated wavelegnths. Image also describes data from James Web Space Telescope in the Infrared Spectrum and Hubble Space Telescope in the UV and lower Infrared Light Spectrums.

      犹如一把瑞士军刀

      Graphic Image shows a timeline for the James Webb Space Telescope from Launch to Mirror diployments through Arrival at Lagrange 2 point, Telescope Alignment, calibrations and finally the first images and spectra.

      2021年12月25日,欧洲空间局的阿丽亚娜5号火箭(Ariane 5 rocket)搭载着詹姆斯·韦伯太空望远镜进入了太空。这台太空望远镜到达L2轨道目的地需要一个月的时间,五层薄膜的防光罩则借助由电机、滑轮和电缆组成的复杂系统进行展开。随后,在望远镜的副镜打开之后,主镜的18个六边形分镜会接着打开。

      当飞行器冷却至工作温度低于-380华氏度(40开尔文)的标准时,镜子就会开始进行对准。在调试的最后几个月里,望远镜进行了一些具有代表性的科学目标,以便测试、表征和校准所有四种科学仪器,然后进行常规的科学操作。

      JWST位于太阳和地球的远侧,在L2的位置上运行,即第二个拉格朗日点。在这个位置上,引力和物体的轨道运动相互平衡,节省了航天器为了保持轨道运行时所需的燃料。在L2,地球的阴影遮盖了太阳的绝大部分,只能看到日冕。

      Graphic image shows the relationship between The Sun s position, Earth's Orbit and James Webb's Orbit at L2 on the shadow side of the planet Earth. The Webb's Orbit at L2 is 1.5 Million Kilometers from Earth.
      韦伯望远镜在此沿着一个轨道路径运行,在它随着地球围绕太阳转动时,能够始终停留在地球的夜半球处。L2轨道与望远镜的防光罩相配合,保护JWST的敏感仪器不受阳光影响,否则会对干扰微弱信号的探测。

      在恶劣环境中运行

      在距离地球100万英里的地方,JWST的突破性技术可以在最恶劣、最难进入的环境中运行,那里极其寒冷,充满着灼热的深空高辐射,温度则低于-370华氏度。除经过抗辐射处理的电子组件外,这种环境会损坏所有其他的组件。在如此遥远的地方不能进行维修和救援任务,因此绝不能出现技术故障。

      NASA要求使用可靠性高且抗辐射的组件,其能够承受长时间以来高能量带电粒子的相互作用以及巨大的总电离辐射剂量。因此,工程师选用了ADI公司的抗辐射精度、电源管理和传感器组件技术,将其集成到了JWST的系统中。

      ADI公司拥有50年的历史,提供经严格测试的高耐受性抗辐射组件,对于NASA的同步卫星、近天体飞行和行星登陆任务,这种组件发挥了至关重要的作用。一些在1974年开发的组件至今仍在使用,最近,火星漫游车“毅力号”(Mars Perseverance)和JWST就使用了这些组件。ADI公司航空航天、国防和射频产品副总裁BryanGoldstein表示:“这证实了ADI持续不断地对产品进行创新,以及不淘汰产品的承诺。

      Headshot Image of Jasmine King, General Manager Aerospace, Defense and RF Prodcuts at Analog Devices.
      我们为航天器运行系统及11个科学仪器提供了123个抗辐射组件,从而帮助保障任务圆满完成。在NASA的深空任务中,很多组件都有着长期的使用记录。”

      Yasmine King

      航空航天、防务和RF产品总经理 | ADI公司

      工程挑战:精度、电源管理和传感解决方案

      为确保詹姆斯·韦伯太空望远镜取得成功,需要在精度、电源管理和传感器技术方面技术突破和创新。

      Image shows a graphic representation of the James Webb's Telescope and it's 18 Primary mirrors. Each of the 18 primary mirror segments must be aligned to within a fraction of a wavelength of near-infrared light—about 1/10,000th the thickness of a human hair.
      在主镜的18个分镜中,每一个分镜都必须对准近红外光的一小部分波长,其长度约为人类头发粗细的一万分之一。

      精度

      通过波前传感和控制的过程,JWST的NIRCam仪器可测量镜面对准过程中任何有瑕疵的地方,而这些瑕疵可能会妨碍它们作为单个镜面开展的工作。132个促动器和微型机械马达可帮助实现单一的准确对焦,使各个分镜可以作为一个整体来进行对准。对准过程必须是可重复的,因为当望远镜每次转动并指向太空中不同的物体时,镜面都需要重新对准。

      电源管理

      JWST的系统产生的任何热量都有可能对望远镜捕捉到的微弱信号产生干扰。其中有一个热控子系统用来保持飞行器总线的工作温度,确保望远镜的温度始终适宜。低温冷却器的工作方式就像功效强大的冰箱一样,能通过中红外检波器(MIRI)吸收热的气体。这个仪器的温度必须为-447华氏度(7开尔文),这比JWST同类仪器的温度还要低,因为这样才能探测到更远的红外线。

      传感

      韦伯望远镜的传感功能主要依靠镜面尺寸、红外检波器和滤光轮。镜面越大,反射给检波器的能量就越多,而JWST则拥有史上最大的镜面。

      这个过程理论上很简单,但细节上却很复杂。镜子收集光线,并将其引向各个科学仪器,而光线聚焦到检波器上之前,这些仪器会对光线进行过滤或光谱分散。检波器会吸收光并将其转化为电子电压,以便进行测量并在之后开展分析。

      红外检波器是一种特殊的半导体器件,由性能奇特的特殊材料制成。这也是将它们冷却到接近绝对零度的原因之一。例如,MIRI检波器是一种电荷耦合装置,由掺砷硅制成,并突破性地达到了1024×1024像素。每个像素传感器都根据照射的光线量来记录电压。

      提供技术构建模块

      ADI公司的技术为JWST的电路提供了基本的微电子构建模块,包括用于基本信号调理、滤波和增益块的运算放大器和变换器,从而为JWST任务提供更广泛的支持。ADI公司航天、国防和射频产品经理Chris Chipman补充道:“我们为NASA提供了多种支持信号链的组件,比如数据转换器、放大器、稳压器和参考产品。”

      ADI公司的解决方案为各种内务工作、健康监测功能和机载电源管理提供支持,确保向各种子系统提供适当的电压和电流。

      其他所用:在地球上的影响

      詹姆斯·韦伯太空望远镜借助高科技扩展了人类的视野,可提供前所未见的宇宙影像。如今在地球上,眼科医生对这项用于建造先进太空望远镜的新技术进行了应用。

      这种工艺具有突破性的意义,目的是在研磨后准确快速地测量JWST的镜面,经微调后应用在了眼科手术领域。iDESIGN由强生公司(Johnson & Johnson)开发,用于创建患者眼睛的高清晰度影像,以帮助外科医生实施LASIK眼部矫正手术。与以前的眼部成像技术相比,iDESIGN为外科医生提供的数据点数量增加了五倍,同时可以绘制出眼睛的像差和不规则情况。高清晰度影像令测量结果更加准确,因此,治疗和手术精度将会提高,提高激光视力矫正后的视觉质量和生活质量也会有所提升。

      在韦伯望远镜开发技术的扩展应用领域中,改善人类视力仅是其中一种用途。最初为太空设计的抗辐射组件也会在医疗领域进行应用,如癌症治疗中的放射疗法。另一中用途则是用于支持非碳基能源,如核能。Chris Chipman表示:“这些组件还会在高能粒子应用中使用,如欧洲核子研究组织(CERN)的线性加速器,研究人员最近发现了被称为‘上帝粒子’的希格斯玻色子存在的证据。”

      Image shows low orbit of earth from outer space with bright sun rays from behind planet Earth.

      未来展望

      詹姆斯·韦伯太空望远镜及装载的科学仪器旨在揭晓具体科学问题的答案。可以肯定的是,更多问题会由此出现,需要未来的航天任务和观测站来解答,比如建还要发射的全新天文观测设备——南希·格雷斯·罗曼太空望远镜(Nancy Grace Roman Space Telescope)。宇宙起源知识的拓宽,以及对可能孕育生命的行星开展的探测将对全人类产生影响。然而,詹姆斯·韦伯太空望远镜产生的影响更为深远,它可能会改变工业的发展轨迹,直接影响我们的日常生活。正是由于对太空和地球的了解取得了突破,新的观点才得以诞生,而这些新的观点可能会超乎我们的想象,成为意义重大的新技术、新应用和新惊喜。

      詹姆斯·韦伯太空望远镜将会革新天文学领域,敬请继续关注ADI Signals+。

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      Webb's First Images & Data

      图片由NASA提供