美國國家航空暨太空總署（NASA）的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡是迄今為止送入太空的最大、最強大的望遠鏡，它的鏡面由18個獨立的六角形片段組成。 這些鏡片被精確地排列在一起，就像一個21.6 英尺（6.5 公尺）高的反射鏡。

校準和維護這個複雜的系統需要由敬業的工程師和光學科學家組成的團隊的持續關注。 太空望遠鏡科學研究所負責韋伯望遠鏡的首席天文光學科學家Marcio B. Meléndez博士分享了他對發射後對準韋伯望遠鏡鏡面的挑戰的見解，以及為確保其準確性而在整個科學運行過程中持續開展的工作。

在韋伯成功發射和部署後不久，就開始了對準其大型金色反射鏡的複雜過程。 從剛飛上太空的18個未對焦的獨立片段的初始部署，到僅受光學設計限制的完全對齊系統，花了近三個月的時間。

雖然望遠鏡的精確對準在2022年初的調試過程中就已完成，但由於溫度變化和所謂的’傾斜’事件等各種因素，它並不能自然保持這種狀態，因此需要一個終身維護計劃。 負責維護韋伯望遠鏡反射鏡的波前感測團隊一直在監測、調查和趨勢分析，偶爾在科學運行期間移動其主反射鏡部分。 這些活動都是在巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的韋伯任務運作中心進行的。

該望遠鏡監測計畫包括一系列觀測，使用近紅外線照相機儀器（NIRCam）內的特殊光學感測設備，透過一組鏡頭有意將恆星影像的焦距調整到已知的程度。 這些散焦後的恆星影像含有可測量的特徵，使研究小組能夠利用一種稱為相位檢索的方法來確定我們所說的”波前誤差”，從而推導出望遠鏡的對準情況。 望遠鏡監測觀測目前每隔一天進行一次，穿插在韋伯的科學觀測中，運行時間很短，約20 分鐘。 所有望遠鏡監測觀測資料均可透過MAST檔案公開取得。 天文台用戶和其他有興趣的研究人員也可以使用專用工具查看光學品質並建立模型。

左圖為2.12 微米處的NIRCam 聚焦影像。 中間和右邊顯示的是在兩個不同的故意散焦位置上的NIRCam 影像，這些影像是在望遠鏡監測計劃期間使用的，用於顯示評估望遠鏡校準的特徵。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

維護程序還使用專門的’瞳孔成像’鏡頭進行‘自拍’，該鏡頭設計用於拍攝鏡片圖像而非天空圖像，每年拍攝四次。 這些瞳孔影像用於評估主鏡的健康狀況。 在每次觀測過程中，團隊都會測量韋伯的指向穩定性或”抖動”，韋伯的指向穩定性一直比設計要求高出六倍。F ine 導引感測器用於指揮一個小型的機載可轉向鏡鎖定目標，當目標在軌道上移動時，其偏差不會超過一根頭髮絲的粗細，觀測距離為7 英里（11 公里）。

這台望遠鏡的整體光學性能遠優於設計要求，這意味著觀測結果對暗淡天體更加敏感，對細微特徵的辨別能力也比預期的更強。 韋伯望遠鏡的光學需求設定為​​150 奈米的波前誤差，誤差來自於不可修正的表面圖形缺陷和可修正的望遠鏡偏差。 目前不可修正的誤差非常低，約65 奈米。望遠鏡對準計畫的目標是實現並維持這個誤差，當觀測到的偏差累積超過預定標準時，就會對主鏡部分發出指令，對系統進行重新對準。

美國國家航空暨太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的波前誤差因鏡面的微小偏差而變化，這些偏差是可以糾正的，如綠色向下箭頭所示。 波前誤差值越小，表示成像表現越好。 圖中所示的較大偏差是由單段或多段突然發生的所謂”傾斜事件”造成的。 校正後，如綠色所示，望遠鏡將恢復到最佳對準狀態。 10 月3 日，進行了一次鏡面校正，這是自上次鏡面控制更新以來的第186 天。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

主鏡的每個鏡片都可以以六個”自由度”重新定位，即六種不同的運動方式。 鏡片的彎曲表面也可以進行一定程度的改變，以調整焦距。 韋伯望遠鏡的鏡面透過背板結構的穩定支撐保持被動對準。 當韋伯望遠鏡指向天空中的不同位置時，從太陽吸收的熱量會發生變化，從而引起支撐結構上微小（0.1 kelvins）的溫度變化，從而驅動微小的物理運動。 這些微小的位移會導致鏡面錯位。 這種變形非常小，只佔波面變化的幾個奈米。 除此之外，結構還會突然偏移，我們稱之為傾斜事件。 我們目前對這些事件的理解是，它們與鏡面支撐結構中儲存的微小但突然的能量釋放有關。

望遠鏡鏡面控制的更新頻率要求低於每兩週一次。 當觀測到望遠鏡不對齊時，望遠鏡團隊會在48 小時內依照不同飛行系統之間協調良好的程序進行校正。 在此期間，團隊創建了一套鏡面運動，旨在重新對齊鏡片。 這些動作被轉換成命令，然後上傳並執行。 在執行這些校正動作之後，會進行一組新的觀測，以確認望遠鏡的對準情況。 自科學運行開始以來已經應用了超過25 次校正移動。 圖3 顯示了所有波前測量的時間序列和相應的區段偏移。 10 月3 日，在距離上一次鏡面控制更新186 天之後，進行了一次鏡面校正。

圖3. 美國國家航空暨太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡NIRCam 對焦影像的延時圖（左）和相應的鏡片偏移圖（右），涵蓋了自2022 年7 月12 日科學運行開始以來的所有望遠鏡維護觀測。 儘管單一鏡段發生了微​​小的移動，如右側不同鏡段等級的變化所示，但左側觀測到的對焦影像通常變化不大。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

韋伯望遠鏡的鏡面校準所需的校正次數比預期的要少，因此有更多的時間進行科學觀測，並為未來的任務提供了寶貴的見解。 調整需求的減少表明這台望遠鏡比預期的更加穩定–這對即將開展的項目（如NASA未來的宜居世界天文台）來說是一個至關重要的因素。 該天文台將是第一台專門用於搜尋附近類太陽恆星周圍地球大小的行星上生命跡象的太空望遠鏡，同時也將解決更廣泛的天文物理學問題，以揭開宇宙的神秘面紗。

透過嚴格的測量和控制整體維護計劃，團隊確保韋伯的光學性能處於盡可能高的水平，以揭開宇宙隱藏的奧秘。

關於作者：

Marcio B. Meléndez 博士是太空望遠鏡科學研究所的首席天文光學科學家。 他是太空望遠鏡科學研究所望遠鏡分部波前感測小組的成員。

編譯自/ ScitechDaily