歷史上延遲時(shí)間最長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡不僅將經(jīng)歷關(guān)鍵時(shí)刻，還將在接下來(lái)的幾個(gè)月里經(jīng)歷一系列關(guān)鍵時(shí)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(yuǎn)鏡將開(kāi)始史無(wú)前例地獲取數(shù)據(jù)，以前所未有的力量和一系列無(wú)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(tái)望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)和執(zhí)行中。

這里有10個(gè)關(guān)于NASA最新也是最偉大的天文臺(tái)的令人難以置信的事實(shí)。

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

它已經(jīng)在阿麗亞娜5號(hào)火箭中運(yùn)輸、測(cè)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(gè)月的時(shí)間里，它將接受終極考驗(yàn)：發(fā)射和部署。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上比它的前身哈勃太空望遠(yuǎn)鏡輕很多。

對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，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(gè)更大版本的東西，它會(huì)變得更重、更大。

哈勃望遠(yuǎn)鏡直徑2.4米，有堅(jiān)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(gè)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(huì)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(shí)，它的質(zhì)量約為11,100公斤，加上升級(jí)后的儀器，它現(xiàn)在的質(zhì)量約為12,200公斤。

這是一項(xiàng)巨大的工程壯舉，因?yàn)樵谶m用的情況下，詹姆斯·韋伯上的幾乎每一個(gè)部件都比它的哈勃類似物輕。

韋伯的每面鏡子都有一個(gè)單獨(dú)的名稱。

A、B或C表示段是三個(gè)鏡像處方中的哪一個(gè)。

這些照片顯示了望遠(yuǎn)鏡上每面鏡子的飛行版本。

詹姆斯·韋伯的鏡子是有史以來(lái)最輕的大型望遠(yuǎn)鏡鏡子。

在最初制造時(shí)，18個(gè)主鏡段中的每一個(gè)都是一個(gè)彎曲的圓盤形狀，質(zhì)量為250公斤。

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

實(shí)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(lái)--這就是它變得輝煌的地方--實(shí)際上鏡子“背面”的所有物質(zhì)都被機(jī)械加工掉了。

剩下的部分已經(jīng)過(guò)測(cè)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(huì)在振動(dòng)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(lái)。

對(duì)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(jìn)行調(diào)整。

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

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)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(guò)加工鏡子的背面，實(shí)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(lái)是金色的，但實(shí)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?yàn)辄S金的密度非常高，也不是因?yàn)辄S金的延展性，這兩者都是黃金絕對(duì)擁有的特性。

最大的問(wèn)題將是熱膨脹。

即使在非常低的溫度下，黃金也會(huì)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(guò)將鈹冷卻到低溫，并在那里拋光，你可以確保在室溫下會(huì)有缺陷，但當(dāng)這些鏡子再次冷卻到工作溫度時(shí)，這些缺陷就會(huì)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(guò)機(jī)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(yuǎn)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(jì)用來(lái)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(huì)完全覆蓋鏡子，但涂得太多，當(dāng)溫度變化時(shí)，你會(huì)開(kāi)始經(jīng)歷膨脹、收縮和變形。

涂覆金涂層的過(guò)程被稱為真空氣相沉積。

通過(guò)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(huì)涂上一層金色的涂層。

這一過(guò)程一直持續(xù)到金達(dá)到所需的厚度，僅為~100納米，或約600個(gè)金原子厚度。

鍍金后，需要對(duì)反射鏡的彎曲度、公差、低溫性能等進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試。

只有在所有這些測(cè)試都通過(guò)之后，最后一層無(wú)定形玻璃的涂層才最終被涂上，以保護(hù)黃金。

黃金本身不會(huì)直接暴露在太空中；它被覆蓋在一層薄薄的無(wú)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?yàn)樗浅Ｈ彳?，延展性很?qiáng)，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(huì)受到微流星體撞擊的影響，但薄薄的金涂層會(huì)受到影響，因此如果沒(méi)有額外的保護(hù)層，就無(wú)法保持望遠(yuǎn)鏡運(yùn)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(wú)定形二氧化硅玻璃。

雖然我們通常會(huì)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(jiǎn)單：對(duì)光線透明，并保護(hù)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(lái)保護(hù)。

遮陽(yáng)板的所有五層都必須沿著其支撐物正確展開(kāi)和張拉。

每一個(gè)夾子都必須松開(kāi)；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(yuǎn)鏡將無(wú)法正常冷卻，對(duì)紅外觀測(cè)將毫無(wú)用處：這是它的主要目的。

這里顯示的是遮陽(yáng)板原型，比例為三分之一的部件。

詹姆斯·韋伯的“望遠(yuǎn)鏡端”會(huì)被動(dòng)地將自己冷卻到不高于50K：足以使氮?dú)庖夯臏囟取?

詹姆斯·韋伯之所以需要被安置在離地球如此之遠(yuǎn)的L2拉格朗日點(diǎn)，而不是像哈勃那樣處于低地球軌道上，是因?yàn)樗鼘⒈磺八从械乇粍?dòng)冷卻。

一個(gè)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(yáng)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(dá)到必要的低溫。

鉆石形狀的遮陽(yáng)板本身是巨大的：長(zhǎng)尺寸為21.2米，短尺寸為14.2米。

每一層都有面向太陽(yáng)的“熱面”和面向望遠(yuǎn)鏡的“冷面”。

最外層的熱面溫度將達(dá)到383K，即231°F。當(dāng)你到達(dá)最內(nèi)層時(shí)，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(yuǎn)鏡保持在~50K以下，它就能按設(shè)計(jì)正常工作。

哈勃極深場(chǎng)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(duì)比。

由于宇宙-韋伯場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到0.6平方度，它應(yīng)該會(huì)在近紅外線揭示大約50萬(wàn)個(gè)星系，揭示出迄今為止還沒(méi)有天文臺(tái)能夠看到的細(xì)節(jié)。

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

有了主動(dòng)的低溫冷卻，韋伯的溫度將一直降到~7K。被動(dòng)冷卻達(dá)到的低溫在36到50K的范圍內(nèi)，對(duì)于韋伯的所有近紅外儀器的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是完全足夠的。

這包括它的四個(gè)主要科學(xué)儀器中的三個(gè)：NIRCam(近紅外相機(jī))、NIRSpec(近紅外光譜儀)和FGS/NIRISS(精細(xì)制導(dǎo)傳感器/近紅外成像儀和無(wú)縫隙光譜儀)。

它們都設(shè)計(jì)成在39K下工作：完全在被動(dòng)冷卻的范圍內(nèi)。

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

氦只有在大約4K時(shí)才會(huì)變成液體，所以通過(guò)在MIRI儀器上安裝液氦制冷機(jī)，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(cè)的光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，你需要讓儀器變得越冷，這是詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡做出大多數(shù)設(shè)計(jì)決定的主要原因。

當(dāng)彗星和小行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)，它們可能會(huì)稍微解體，隨著時(shí)間的推移，軌道軌道上的碎片會(huì)伸展開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致我們?cè)诘厍虼┻^(guò)泥石流時(shí)看到的流星雨，正如美國(guó)宇航局(NASA)的斯皮策太空望遠(yuǎn)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(cè)的波長(zhǎng)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(shí)，中紅外觀測(cè)是依賴于冷卻劑的。

與美國(guó)宇航局的斯皮策號(hào)不同的是，斯皮策號(hào)在冷卻劑耗盡后過(guò)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(gè)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(yuǎn)不應(yīng)該耗盡；這是一個(gè)封閉的系統(tǒng)。

然而，正如任何曾經(jīng)從事實(shí)驗(yàn)物理工作的人都可以證明的那樣，無(wú)論你如何防范泄漏，都不可避免地會(huì)發(fā)生泄漏。

在最樂(lè)觀的情況下，韋伯的設(shè)計(jì)任務(wù)至少是5.5年，在最樂(lè)觀的情況下有可能達(dá)到10年或更長(zhǎng)時(shí)間，如果它符合設(shè)計(jì)規(guī)范，它的低溫冷卻劑應(yīng)該不會(huì)用完。

然而，總有出現(xiàn)問(wèn)題的可能性，我們無(wú)法充分或在整個(gè)任務(wù)中主動(dòng)冷卻中紅外成像儀，這將侵蝕韋伯對(duì)越來(lái)越長(zhǎng)波長(zhǎng)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(yuǎn)鏡的溫度越高，它可以探測(cè)的波長(zhǎng)范圍就越窄。

此圖顯示了WMAP在第二個(gè)拉格朗日點(diǎn)(L2)周圍的軌跡和軌道模式。

WMAP到達(dá)L2的旅行時(shí)間為3個(gè)月，其中包括一個(gè)月的繞地球相位循環(huán)，以允許月球重力輔助推進(jìn)。

在WMAP的使用壽命結(jié)束后，它用完了最后的燃料，離開(kāi)了圍繞L2的利薩育軌道，進(jìn)入了一個(gè)“墓地軌道”，在那里它將繼續(xù)無(wú)限期地繞太陽(yáng)運(yùn)行。

當(dāng)它耗盡燃料時(shí)，它的命運(yùn)將是永久地居住在圍繞太陽(yáng)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(yùn)行。

然而，每當(dāng)Webb想要做任何涉及運(yùn)動(dòng)的事情時(shí)，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(shí)，科學(xué)行動(dòng)就結(jié)束了。

然而，我們不能任由它漂流到任何地方，因?yàn)檫@可能會(huì)危及未來(lái)預(yù)定前往L2的任務(wù)。

取而代之的是，就像我們對(duì)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(yáng)在軌道上運(yùn)行，它就會(huì)繞太陽(yáng)運(yùn)行。

盡管它不是為維修而設(shè)計(jì)的，但從技術(shù)上講，機(jī)器人航天器仍有可能與詹姆斯·韋伯會(huì)合并對(duì)接，為其加油。

如果這項(xiàng)技術(shù)能夠在韋伯耗盡燃料之前開(kāi)發(fā)和推出，它可以將韋伯的壽命延長(zhǎng)約15年左右。

盡管它不是為維修和升級(jí)而設(shè)計(jì)的，但它可能會(huì)被機(jī)器人加油以延長(zhǎng)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(shí)間足以了解大量關(guān)于宇宙的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)大量雄心勃勃的科學(xué)目標(biāo)，并為我們敞開(kāi)大門，迎接我們可能還沒(méi)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(lái)比他在地球上的全部時(shí)間都要短，這似乎是不夠的。

但還是有希望的。

有一個(gè)加油港，如果我們開(kāi)發(fā)正確的無(wú)人駕駛技術(shù)，我們就可以進(jìn)入。

如果我們能到達(dá)L2，與詹姆斯·韋伯對(duì)接，進(jìn)入加油港，并為其加油，那么每次加油，任務(wù)的壽命可能會(huì)延長(zhǎng)十年或更長(zhǎng)時(shí)間。

有傳言稱，德國(guó)航空航天中心(DLR)可能會(huì)在韋伯壽命結(jié)束之前(大概在本世紀(jì)30年代初)進(jìn)行這種類型的操作。

如果韋伯的工作完全像設(shè)計(jì)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(fèi)愚蠢的終極做法。