詹姆斯·韋伯太空望遠鏡：第一台輕型機器

想像一台如此強大的時間機器，你可以回溯 135 億年前，見證宇宙的“誕生”，並見證最偉大的起源故事的展開。詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST)，被親切地稱為“第一台光機”，旨在觀察宇宙最遙遠的地方，直到時間本身，觀察從原始宇宙中結合的第一批恆星和星系大爆炸的氣體。

JWST 是迄今為止建造的最大、最強大、最複雜的太空觀測站。這是一把無與倫比的瑞士軍刀，它的科學儀器將研究宇宙歷史的每個階段，觀察以前從未見過的空間和時間的一部分，並探測系外行星上可能存在的生命生物特徵。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡是一項天文規模的技術成就，體現了前所未有的精度、電源管理和傳感器技術，使其能夠揭示來自古代早期宇宙的微弱紅外信號。作為人類創造力的聖地，太空望遠鏡旨在從完全不同的角度觀察天空，並做出將從根本上改變和改變我們對宇宙的理解以及我們在其中的位置的發現。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡正在尋找穿越浩瀚太空的時光回溯，以解開早期星系如何形成並成長為我們今天所見宇宙的謎題。

由美國NASA提供

JWST 代表了技術、國際合作和探索廣闊宇宙的巨大飛躍。30 年的醞釀，耗資 100 億美元的任務的創新者和參與者包括 14 個國家、美國、加拿大和歐洲的航天機構、數千名工程師和數百名科學家，以及 300 所大學、組織和領先的技術公司，包括模擬設備公司 (ADI)。

在望遠鏡運行的第一年，大約 6000 小時被分配給科學家提出的一般觀察者 (GO) 計劃——其中三分之一是來自全球 40 個不同國家的女性。

規格

主鏡尺寸： 21.3 英尺寬，由 18 個鍍金六角形可展開部分組成

SUNSHIELD： 69.5 英尺 × 46.5 英尺五層可展開的防護罩是網球場的大小

在太空中的位置：圍繞第二個拉格朗日點 (L2) 繞太陽運行，距離地球約 100 萬英里

儀器：近紅外相機 (NIRCam)、近紅外光譜儀 (NIRSpec)、中紅外儀器 (MIRI) 以及帶有精細引導傳感器 (FGS) 的近紅外成像儀和無狹縫光譜儀 (NIRISS)

波長：可見光、近紅外、中紅外（0.6 微米至 28.5 微米）

JWST 擁有六倍於哈伯太空望遠鏡大小的鏡子和一百倍敏感的技術，JWST 將能夠做其著名的前身根本無法做到的事情。它的主鏡將收集來自哈伯的一部分電磁光譜的光，而人眼對紅外線視而不見，並向我們展示了原本隱藏的空間區域。

可見光下的鷹星雲

紅外線中的鷹星雲

哈伯主要看到光譜的可見部分，並且僅限於它可以分辨的部分。JWST 詹姆斯韋伯望遠鏡則專注於近紅外線和中紅外線，比以往任何時候都更加清晰和敏感。

圖片由NASA提供

隨著宇宙通過稱為宇宙學紅移的過程膨脹，光被拉伸。星光在更短的紫外線和可見光波長之前發射超子，現在被拉伸到紅外線的更長波長。恆星越遠，區域越老，紅移的光越多。用紅外線觀察有助於天文學家更接近時間本身，並觀察它們首次出現時的古代太陽和星系的形成。

紅外輻射具有更長的波長，可以穿透緻密的分子云，其塵埃阻擋了可見光天文儀器可探測到的大部分光線。原始宇宙第一次以前所未有的分辨率和清晰度出現。

2021 年 12 月 25 日，詹姆斯韋伯太空望遠鏡搭乘歐空局阿麗亞娜 5 號火箭發射到太空。在天文台前往其 L2 軌道目的地的為期一個月的旅程中，五層薄膜遮陽罩使用精心設計的電機、滑輪和電纜系統展開。後來，望遠鏡的副鏡展開，主鏡的 18 個分段六角鏡展開。

一旦飛行器冷卻到低於–380°華氏度（40開爾文）的工作溫度，鏡子的校準就開始了。在調試的最後幾個月，望遠鏡指向具有代表性的科學目標，以測試、表徵和校準所有四種科學儀器，然後進行常規科學操作。

JWST 停在太陽和地球的另一側，在稱為「 L2」 的位置（第二個拉格朗日點）運行，在該位置，重力和物體的軌道運動相互平衡，從而減少了航天器停留所需的燃料量在軌道上。在 L2，太陽大部分都被地球的陰影遮住了，只顯示了一個日冕。

JWST在 L2 的軌道遵循一條路徑，使其在與我們的母行星繞太陽運行時，可以持續停留在地球的夜晚。L2 軌道與天文台的遮陽板相結合，保護 JWST 的敏感儀器免受陽光照射，否則陽光會干擾微弱的信號檢測。

JWST 的突破性技術距離地球 100 萬英里，可在最惡劣、最難以接近的環境中運行，該環境具有灼熱的深空高輻射和低於 –370° 華氏度的寒冷溫度。這些條件會損害除最兼顧的電子元件外的所有元件。在這麼遠的距離上，進行維修和救援任務是幾乎不可能的，因此不允許出現技術故障。

NASA 需要最高水平的可靠性和抗輻射組件，這些組件能夠長期承受高能帶電粒子相互作用和大的總電離輻射劑量。因此工程師選擇了 ADI 公司的抗輻射精度、電源管理和傳感器組件技術來集成到 JWST 系統中。

ADI 公司擁有 50 年的歷史，提供經過嚴格測試、高容差、抗輻射的組件，這些組件對於 NASA 的地球靜止衛星、飛越和行星著陸任務的成功至關重要。早在 1974 年開發的一些相同組件至今仍在使用——最近的一次是在火星毅力號和 JWST 上。ADI 航空航太、國防和RF產品副總裁 Bryan Goldstein 表示：“這證明了 ADI 產品創新的長久性以及我們對不淘汰產品的承諾。”

8 個主鏡段中的每一個都必須對準近紅外光波長的一小部分——大約是人類頭髮厚度的 1/10,000。

通過稱為波前傳感和控制的過程，JWST 的 NIRCam 儀器可以測量鏡子對齊中的任何缺陷，這些缺陷可能會阻止它們作為單個鏡子工作。一百三十二個致動器和微型機械馬達有助於實現單一的完美聚焦，使反射鏡段對齊為一個。校準過程必須是可重複的，因為每次望遠鏡轉動並指向空間中的不同物體時，都需要重新校準鏡子。

JWST 系統產生的任何熱量都可能干擾望遠鏡捕獲的微弱信號。熱控制子系統保持工藝總線的工作溫度，確保天文台始終處於適當的溫度。製冷機就像世界上最有效的冰箱一樣工作，通過中紅外探測器 (MIRI) 泵送吸熱氣體。儀器必須保持在 –447° 華氏度（7 開爾文）——比 JWST 的同類產品更冷——才能看到更遠的紅外線。

韋伯望遠鏡真正的傳感魔法來自三個主要元素的結合——鏡子的大小、紅外探測器和濾光輪。鏡子越大，反射回探測器的能量就越多——JWST 擁有有史以來最大的鏡子。

這個過程在理論上很簡單，但在細節上卻很複雜。鏡子收集光並將其引導到各種科學儀器，這些儀器在將光聚焦到探測器之前對其進行過濾或光譜分散。檢測器是光被吸收並轉換為待測量和隨後分析的電子電壓的地方。

紅外探測器是奇異的半導體器件，由具有極不尋常特性的不尋常材料製成。這就是它們被冷卻到接近絕對零的原因之一。例如，MIRI 探測器是一種電荷耦合器件，具有前所未有的 1024 × 1024 像素，由摻砷矽製成。每個像素傳感器根據照射到它的光量記錄電壓。

ADI 技術通過為 JWST 的電路提供基礎微電子構建模塊（包括用於基本信號調理、濾波和增益模塊的運算放大器和轉換器）來支持 JWST 任務的更大方面。ADI 航空航太、國防和RF產品產品線經理 Chris Chipman 補充說：“我們為 NASA 提供了多種組件來支持信號鏈，例如數據轉換器、放大器、穩壓器和參考產品。”

ADI 解決方案支持各種內務管理、健康監測功能和板載電源管理，以確保為各種子系統提供適當的電壓和電流。

JWST詹姆斯韋伯太空望遠鏡作為人類視覺的高科技延伸，提供了前所未有的宇宙圖像。現在，一項最初開發用於幫助建造先進太空望遠鏡的新技術被地球上的眼科醫生所採用。

這一突破性的工藝設計用於在研磨後精確快速地測量 JWST 的鏡子，經過微調並應用於眼科手術領域。iDESIGN 由強生公司開發，用於創建患者眼睛的高清地圖，以幫助指導外科醫生進行 LASIK 矯正眼科手術。與以前的眼圖技術相比，iDESIGN 為外科醫生提供了五倍的數據點，同時繪製眼像差和不規則。高清映射可實現更準確的測量，從而實現更準確的治療，提高手術精度，並改善激光視力矯正後的視力和生活質量。

改善人類視力只是為韋伯望遠鏡開發的技術衍生的眾多太空衍生產品之一。最初為太空設計的抗輻射組件也用於醫療目的，例如用於治療癌症的放射療法。另一個衍生產品用於支持非碳基能源，如核能。Chris Chipman 說：“它們還被用於使用高能粒子的應用中，例如在 CERN 的直線加速器中，他們最近在那裡發現了希格斯玻色子——‘上帝’粒子的證據。"

望遠鏡和船上的科學儀器旨在回答特定的科學問題。它肯定會在未來的任務和天文台中提出更多需要解決的問題，例如天文學的下一次冒險——南希·格雷斯羅馬太空望遠鏡。我們對宇宙起源的知識的擴展和對可能孕育生命的行星的探測將影響到全人類。但詹姆斯韋伯太空望遠鏡有可能產生更大的影響——它可能會改變行業的發展軌跡並直接影響我們的日常生活。太空和地球上的新發現是新思想的誕生地，這些思想轉化為我們今天甚至無法想像的顛覆性新技術、應用和驚喜。