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新的宇宙曙光:等待了二十多年的爱德华·韦布太空望远镜

发布时间:2022年04月02日 12:19

。建好这样个数的好像本身不是情况,但要把它装进只有4.57 m周长的阿丽亚娜5号V-之前,又不至于缘故重而则会试射到缘故空舱,这就是一个情况。解决这个特殊情况的目标落在了天文望远镜透镜构件经理 Lee Feinberg身上。“天文望远镜的结构设计十分优雅,” Feinberg问道,并断言道,这种结构设计的事物在于好像是伸缩的:它由18个六边形之外都是由,两边各有三个小投影成型了伸缩的“两翼”。

JWST还有一个高约0.74 m的次镜,则有一个较小的三次镜,以消除天文望远镜的散光,使焦面变平,为自然科学电子通讯设备的可用做好准备。这三面好像共同都是由了一种被叫做“离轴三反射透镜的系统”(off-axis three mirror anastigmat)的结构,可以校正椭圆、彗输和散光误输,同时为电子通讯设备给予更是大的视场。但这些功能本身也遭受试射每一次之前最让人头疼的情况,Feinberg提到:“其实的瓶颈是,支撑次镜的吊杆有8 m高约,但你还只能把它装进V-里面,然后是反光垫,而我们不得已把所有的这些都折叠痛快。”

这些好像是由一种从新型内层镀金的透镜等级的铍材质,它在天文望远镜管理工作温度更是高至36 K时还能间歇。这种被叫做O-30的工艺由工艺从新公司Materion最初为JWST制造,优点是精确度轻,并且在高冷热下有着良好的系统设计机动性等。例如,工艺的刚性假定,当好像被放入天文望远镜防水垫右边的高冷热环境之前时,它则会遭受了缘故大的扭曲结构上。Feinberg问道,考虑到所有这些原因,以及被普遍认为适当的铍坯料材质,制造一个可以折叠的六边形整块的系统是“最好的为了让”。

自20世纪90世纪末以来,一个值得注意的六边形的系统现在在夏威夷的两个10 m北极星天文望远镜(Keck telescopes)上试运行,Feinberg承认,他的工作团队从北极星的透镜结构设计之前学到了很多。和北极星一样,JWST天文望远镜上的18个投影和次镜都有液压驱使支架来倡议投影保证聚焦。然而,尽管北极星保有仪器的波前传感支架来保证投影有所不同之外对齐,JWST透镜工作团队普遍认为,这样的的系统缘故复杂了,则会在外太空自行试运行。在此便的是,天文望远镜将运用它的自然科学底片。Feinberg 断言问道:“无论如何我们将给予的第一张的测试左三维包涵18个脱离红矮星左三维,这是同一个红矮星在这18个脱离投影上成型的像,每个投影都像一个天文望远镜。”然后,天文望远镜将可用底片和一种最初开发的取名“相位复原”(phase retrieval)的算法来计算波前的形状,从而调整天文望远镜的形状,直到所有18个投影聚焦为一个。

天文望远镜投影的结构设计使JWST沦为此类系统设计的典型都有和先驱,正是这些系统设计让JWST都能经常性管理工作。Feinberg问道:“总的来问道,我们心里面所做的每一件事都未现成的方案。我们真的在发生变化我们做事的方式。”一个典型的事例是:巴纳德天文望远镜上2.4 m高约的反射镜无论如何是一个庞大的天文望远镜管元件,而JWST的反射镜是向缘故空舱敞开的,保护这些好像不所致缘故阳的炎冷热光照也是一项迫切的面对。

缘故阳的原因

由于JWST在红外波段下试运行,来自缘故阳、星球甚至航天支架本身的杂散冷热辐射不太可能则会使其视场趋于明晰。为了把它们挡在外面,自然科学界们结构设计了一种复杂的网球场个数的防水垫(左图2),这与NASA以前试左图在缘故空舱之前地面部队的任何好像都十分有所不同。防水垫由5层凝胶都是由,这种取名Kapton的铌涂层树脂由于有着十分周长温度范围内的稳定性而被最常用于缘故空舱探索。这种稳定性是至关最重要的:防水垫定位缘故阳的第一层的温度预计将达到383 K,而最内的第五层温度将下调36 K。然而,防水垫部经理James Cooper说明,即便是可用正确的工艺,结构设计适当的防水层让其在外太空之前发挥作用也是一个“灾难性面对”。

左图2 分层防水垫。这是一个巨型防水垫的的测试框架,可以让詹姆斯·萨多韦缘故空舱天文望远镜的温度保持良好更是多更是高 一之外情况是,防水垫上的每一层凝胶都则会六根据其管理工作温度的有所不同而有所不同往往地变小或收缩。结构设计和建好防水垫的航天从新公司Northrop Grumman从新公司洁净室里面的薄凝胶则会与缘故空舱之前的薄凝胶个数有所不同。“每种凝胶的个数都需经过精心设计调整,以适应假设的温度范围,”Cooper断言问道,“定位缘故阳的第一层将是最冷热的,而第五层将趋于十分冷热。因此,在星球上建好第五层时只能更是多大,因为我们知道,当工艺变冷热时,它则会收缩。”

另一个面对是,防水垫的每一层都薄如细纱。最冷热的第一层厚0.05 mm,其他四层厚0.025 mm,它们的铌层只有100 nm厚。保持良好薄凝胶较薄可以缓解重量,但也不太可能较易使防水垫毁坏。事实上,防水垫的结构设计考虑了快速反应一定往往的毁坏,发明家们预计它在可用期间则会遭所致纤陨石下沉遭受各种创伤。Cooper问道,这里面或那里面的好奇的山洞则会原因它的机动性——特别是因为他们在每一层之前都创设了接缝和避免破裂的网格,以避免撕裂的材质超过左右一米乘两米。Cooper补充问道:“即使任何一层都有这种材质的撕裂,我们也都能所致限制机动性要求。”

然而,最大者的损害风险频发在试射后不久。风筝形状的防水垫6个角之前的每一个,都包涵一个薄凝胶韧性的系统(membrane tensioning system,MTS),每个MTS连通着15六根插头(顶层凝胶各3六根),总共90六根插头。为了将防水垫的5层分开,MTS只能卷起这些输电。在进行时先决条件的拉扯不太可能则会十分有着破坏性,在的系统演练每一次之前发现,让其管理工作是十分瓶颈的。“MTS在直接收尾的测试时相对恰当,但当我们把所有好像放到一起时,发现凝胶和输电管理的系统之间存在复杂的基本粒子,”Cooper问道,“我们只能克服面对,从而快速反应输电之前时而韧性过大、时而放松的情况。”

防水垫计划案在天文望远镜试射3过后开始进行时,并需5天间隔时间才能收尾,这将是一段恶化的时期。但防水垫发明家则会是唯一一个努力让JWST保持良好很高冷热度的人,虽然防水垫将使天文望远镜的透镜的系统和大多数电子通讯设备保持良好在36 K的高冷热,但有些构件需更是更是高的温度。

保持良好加冷热

在JWST上的4台电子通讯设备之前,有3台(红外线光谱学(NIRSpec)、红外线底片、精准制导传感支架/红外线成像仪和无缝光谱学)管理工作在0.6—5 μm的红外线波段。对它们来问道,天文望远镜的一般管理工作温度36K现在更是多更是高了,然而第四台电子通讯设备被结构设计为在5—28 μm的更是高约波高约下收尾探测,为此它需更是更是高的温度,恰当地问道,比其他通讯设备更是高29 K。为了使之前红外电子通讯设备(Mid-Infrared Instrument,MIRI)上的肥皂砷石墨探测支架保持良好在7 K的管理工作温度,NASA建好了毫无疑问试射到缘故空舱之前的最先进的加冷热支架机,我们称它为大冰箱虽然恰当,不过对其试运行所需的创从新性系统设计缘故严重贬更是高。

然而,与它的两个前身(NASA的斯皮策缘故空舱天文望远镜和欧洲航天局的麦克米伦空间观测站)有所不同的是,它的加冷热剂则会消耗,因为它的加冷热支架支架是一个封闭的的系统。加冷热支架机的主要之外是它的加冷热支架压缩机元件(Cryocooler Compressor Assembly,CCA),被安置在天文望远镜暖和的一侧,可用加压作为加冷热支架剂,并通过迷宫般的管子连通到MIRI(东北方天文望远镜天文望远镜右边的综合自然科学通讯设备模块左右10m远)。一旦加压被CCA内的预冷热支架加冷热,它就运用加冷热支架机冷热头元件(Cryocooler ColdHead Assembly)通过这些管子泵送到MIRI。加冷热支架机冷热头元件包涵一个足足一毫米周长的阀门,它充当加压的“踏垫”。由于焦耳—汤姆孙效应,当加压在阀门的另一侧变小时,它则会下降到6 K(比MIRI的管理工作温度更是高1 K),然后加压在通过MIRI探测支架的右边时,则会吸收并交换多余的氧气。

在陆地加冷热支架机之前,这样的的系统还是很较易构建的。然而,对位于外太空天文望远镜上的加冷热支架就有一定的瓶颈。例如,预冷热支架和加压踏垫之间的东北方,通常情况下,这两个构件之间只有几厘米的东北方,但在JWST上东北方有好几米。因此,让加压在通过天文望远镜的管线时保持良好温度是至关最重要的。另一个面对是滑动,任何包涵旋转构件的高冷热的系统都则会遭受了一些滑动,但在JWST上,这些滑动再度是被消除的,因为户外活动液压的任何晃动都则会滑动透镜的系统,从而遭受了明晰的左三维。因此,JWST的加冷热支架机仅包涵两个户外活动构件:CCA之前一对水平相对运动的汽缸泵,它们是最初结构设计的,试运行痛快十分平稳。

从新的展望

JWST并不是唯一一个将在21世纪20世纪末开始试运行的主要天文通讯设备。事实上,它是三个天文望远镜之一:维拉·C。 里奇观测站(Vera C Rubin Observatory)将于2022年在智利开始探测,而珍妮·菲特·哥特缘故空舱天文望远镜(Nancy Grace RomanSpaceTelescope)以外计划案于2027年试射。这两个通讯设备都将是全天观测管理工作的主导者,重点是在大片天空之前捕捉到尽不太可能多的行星。这类观测计划对于获取大量行星的数据集至关最重要。在除此之外的其他计划之前,它们将努力给予计算暗能量数值的数据集。

以外这一行业的领先者是位于基特峰国家观测站的利奥·U。 卡莱尔尔(Nicholas U Mayall) 4 m天文望远镜,其暗能量光谱学(DESI)可以一次收尾5000个光谱探测。这个数字远远少于了JWST的技能,但由于NIRSpec通讯设备的存在,从新的缘故空舱天文望远镜仍将收尾相应的天文观测探测。NIRSpec可以一次获取100个行星的光谱数据集,使JWST保有其他缘故空舱天文望远镜值得一提的是的技能,并为占星家给予了从新的视角。

为了使JWST适合观测管理工作,它的结构设计者不得已近乎DESI现在在可用的系统设计。在依然,同时探测是一个慎重的每一次,需手动将电子元件通常在铌垫上纸带的右方。DESI避免了这种情况,这要归功于机支架驱使支架,它将电子元件通常在电子通讯设备视场内的任何右方,并且可以每20分钟旋转一次,从而并不需要电子通讯设备在一个晚上收尾大量的探测。幸好的是,这一解决方案被普遍认为对天基观测站不可行。“当我们为了让在JWST上的管理工作方式时,我们捕捉到了DESI的机支架人电子元件方式,我们很难希望象机支架人都能在缘故空舱之前无论如何这些。”Mather问道。

由于液压驱使支架则会在JWST的高冷热下以极低的精度试运行,而且未系统设计人员可以手动发生变化电子元件的右方,Mather和他的同事们需一个独特的解决方案。他断言道,事实上他们需一种仅仅不相关电子元件的解决方案,因为“未电子元件可以延展我们希望尽办法延展的整个波高约范围”。

NIRSpec工作团队的解决方案十分巧妙。该电子通讯设备的反射镜被分开四个边缘,每个边缘左右一张邮票个数,里面面带上了62000个纤光圈,每个纤型光圈的材质只有100×200 μm,由氮化石墨材质,氮化石墨有着很高的导电性,更是多结实,可以多次锁上和关闭,而且则会疲累(左图3)。在每一次捕捉到每一次之前,需锁上的光圈将接收到来自面会边缘区域磁臂的人脑,该的系统将并不需要JWST在督导目标期间分析数千个最远处银河系的光谱,洞察它们的化学都是由、红矮星成型率、红移等。Feinberg问道:“我们在第一年里面要收尾几百个自然科学草案,每个草案都可以证明萨多韦天文望远镜的价值。”

左图3 锁上和关闭。詹姆斯·萨多韦缘故空舱天文望远镜的红外线光谱学(NIRSpec)的纤光圈阵列将使该天文望远镜都能分析数千个最远处银河系的光谱 虽然巴纳德天文望远镜和JWST有很多共同点,但也有很多有所不同之处。其之前偏爱最重要的是,天文望远镜管理工作的;也就不一样。当巴纳德2.4 m的天文望远镜被磨得出现关键时刻时——当时发明家们还不知道——它引发了巴纳德天文望远镜的椭圆像输。旧金山航天局的和平号随后在1993年收尾了一次严肃的缘故空舱行走,他们最终地安装了一台从新电子通讯设备,为巴纳德天文望远镜增添了一双从新嘴巴。巴纳德天文望远镜在星球木星附近管理工作,这与JWST所在的L2点的右方有所不同——缘故远了,和平号则会进发从而收尾维修目标。

虽然JWST将试运行多久还有很多假定,如果预见几个月初的拆包和后续的可用一切都按计划案收尾的话,那么至少JWST应该在接下来的10年之前试运行。然后,它将都能与许多其他陆基和天基通讯设备一起试运行(这些电子通讯设备计划案在2020世纪末之前后期上线)——就像巴纳德在依然几十年里面对其他观测站所做的那样。虽然占星家们等待了二十多年才认出这个天文望远镜试射飞行中,但一旦它开始发生变化我们的生命体观,那么对它的等待还是格外的。

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