詹姆斯·韋伯太空望遠鏡團隊中的一位天文學家解釋了 “第一台光機”
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡計劃於2021年12月18日進入太空。 天文學家希望通過它找到宇宙中最早形成的星系,將在其他行星周圍尋找類似地球的大氣層,並完成許多其他科學目標。 Marcia Rieke是一名天文學家,也是韋伯望遠鏡上的近紅外相機(簡稱NIRCam)的主要調查員。 Rieke參與了相機和整個望遠鏡的開發和測試工作。

為了看到宇宙深處,望遠鏡有一個非常大的鏡子,必須保持極度低溫。 但是把這樣一個脆弱的設備運到太空中並不是簡單的任務。 Rieke和同事們必須克服許多挑戰,以設計、測試並很快發射和校準有史以來最強大的太空望遠鏡。

年輕的星系和系外行星的大氣層
韋伯望遠鏡有一個直徑超過20英尺的鏡子,一個網球場大小的遮陽板來阻擋太陽輻射,還有四個獨立的相機和感測器系統來收集數據。
它的工作原理有點像一個衛星天線。 來自恆星或星系的光線將進入望遠鏡口,從主鏡上反彈到四個感測器上。 NIRCam,拍攝近紅外圖像;近紅外光譜儀,可以將來自選定來源的光線分成不同的顏色,並測量每種顏色的強度;中紅外儀器,拍攝圖像並測量中紅外的波長;以及近紅外成像無縫隙光譜儀,將科學家指向衛星的任何物體的光線分割並測量。

這種設計將使科學家能夠研究銀河系中的恆星是如何形成的,以及太陽系以外的行星的大氣層;甚至有可能弄清這些大氣層的組成。
自從愛德文·哈勃證明遙遠的星系與銀河系一樣后,天文學家們就問:最古老的星系有多老? 它們最初是如何形成的? 它們又是如何隨時間變化的? 韋伯望遠鏡最初被稱為「第一台光機」,因為它的設計正是為了回答這些問題。
該望遠鏡的主要目標之一是研究靠近可觀測宇宙邊緣的遙遠星系。 來自這些星系的光線需要數十億年的時間才能穿過宇宙到達地球。 Rieke估計和其同事將用NIRCam收集的圖像可以顯示出大爆炸後僅3億年形成的原生星系–當時它們的年齡只有現在的2%。

尋找大爆炸後形成的第一批恆星的聚集地是一項艱巨的任務,原因很簡單。 這些原生星系非常遙遠,所以看起來非常暗淡。
韋伯的鏡子由18個獨立的部分組成,能夠收集到的光線是哈勃太空望遠鏡鏡子的6倍以上。 遙遠的天體看起來也非常小,所以望遠鏡必須能夠將光線盡可能地聚焦。 望遠鏡還必須應付另一個複雜的問題。 由於宇宙正在膨脹,科學家們將用韋伯望遠鏡研究的星系正在遠離地球,而多普勒效應也開始發揮作用。 就像救護車經過並開始遠離你時,其鳴笛的音調會下移並變得更低,來自遙遠星系的光的波長也會從可見光下移到紅外光。

韋伯探測的是紅外線–它本質上是一個巨大的熱望遠鏡。 為了在紅外光中”看到”微弱的星系,望遠鏡需要特別冷,否則它看到的將是自己的紅外輻射。 這就是隔熱罩的用處。 隔熱罩是由塗有鋁的薄塑膠製成的。 它有五層厚,尺寸為46.5英尺(17.2米)×69.5英尺(21.2米),將使鏡子和感測器保持在零下234攝氏度。
韋伯望遠鏡是一個令人難以置信的工程壯舉,但如何將這樣的東西安全地運到太空並保證它能正常工作?

測試和演練
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將在距離地球100萬英里的軌道上運行–大約是國際空間站的4500倍,遠得無法由宇航員提供服務。
在過去的12年裡,該團隊測試了望遠鏡和儀器,搖晃它們以類比火箭發射,並再次測試。 一切都經過冷卻,並在軌道的極端工作條件下進行測試。
測試之後是演練。 該望遠鏡將由通過無線電鏈路發送的指令進行遠端控制。 但是,由於望遠鏡將是如此遙遠–一個信號需要6秒鐘才能傳到一個方向–所以沒有即時控制。 因此,在過去的三年裡,Rieke的團隊一直去巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所,在一個模擬器上進行演練任務,涵蓋了從發射到日常科學操作的一切。 團隊甚至還練習了處理潛在的問題,這些問題是測試召集人扔給他們的,被稱之為「異常」。。

需要進行一些調整
韋伯團隊將繼續測試和排練,直到12月的發射日期,但在韋伯被摺疊並裝入火箭后,團隊的工作遠未完成。
團隊需要在發射後等待35天,讓部件冷卻后再開始對準。 在鏡子展開后,NIRCam將抓拍各個鏡段的高解析度圖像序列。 望遠鏡團隊將分析這些圖像,並告訴馬達以億分之一米為單位調整鏡段。 一旦馬達將鏡子移到位置上,他們將確認望遠鏡的對準是完美的。 這項任務非常關鍵,所以將有兩個相同的NIRCam–如果其中一個出現故障,另一個可以接管對準工作。

這個對準和檢查過程應該需要六個月的時間。 完成後,韋伯將開始收集數據。 經過20年的工作,天文學家們即將有一個能夠窺視宇宙中最遙遠的地方的望遠鏡。