詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的光学性能超预期

2021 年 12 月 25 日，阿丽亚娜空间公司的阿丽亚娜 5 号火箭将韦伯望远镜送入深空，比计划晚了 7 到 14 年，超出预算 2 到 10 倍。JWST 重 6.2 吨（约 13,600 磅）尽管包装了一个前所未有的折纸状镜子，其总收集面积是哈勃望远镜的六倍多，但在升空时的重量几乎是美国宇航局标志性的哈勃太空望远镜的一半。用像阿丽亚娜 5 号这样的火箭发射离地球这么远的这么大镜子所需的极端质量的减少和异常复杂性的结合有助于部分解释为什么韦伯望远镜花了这么长时间（约 18 年）和成本如此之高（约 97 亿美元）设计、开发和建造。尽管如此，它终于推出了。阿丽亚娜 5 号完成了大部分工作，将望远镜送入轨道，在其机载推进器的帮助下将引导它到达距离地球约 150 万公里（约 950,000 英里）的太阳-地球 L2 拉格朗日点。或许是天基天文台历史上最大的缓解，韦伯望远镜极其复杂的部署过程随后在没有出现任何重大问题的情况下完成。升空 30 天后，望远镜完全展开到达其运行轨道。

相比之下，在过去的四个月里，几乎所有 JWST 的工作都集中在不太明显和小得多的对齐和校准过程上。JWST 的 18 个主镜段中的每一个都缓慢但稳定地以微米为单位精确定位，同时望远镜的大片区域缓慢冷却至环境温度，这对于获得最佳性能至关重要。同时，韦伯的所有主要仪器都成功工作并进入了校准和调试的早期阶段。只有在仪器经过精心校准、镜子完美对齐、关键硬件冷却至 -449°F (-267°C) 的温度后，韦伯才能开始观察宇宙并彻底改变大量的空间科学子集。第一步也是最重要的一步：镜子对准，现在已经完成。校准过程于 2022 年 2 月开始，即升空六周后。首先，使用未对齐的镜子捕获图像，以帮助确定它所处的确切状态。韦伯的 18 个镜子段中的每一个都被单独移动，以确定每个镜子负责的图像，然后允许地面控制器正确聚焦每个镜子对目标恒星的捕获。在一个被称为“粗调相位”的过程中，一旦这 18 个光点得到很好的分辨并连接到特定的镜像片段，这些片段就会逐渐相互转向以产生单个图像。JWST被严重低估了完成该步骤所需的几乎深不可测的精度。为了充分发挥其潜力，韦伯望远镜的每个镜段必须对齐到彼此之间 50纳米以内。

根据美国国家航空航天局的说法，“如果韦伯主镜有美国那么大，那么每个部分都将是德克萨斯州那么大，团队需要将这些德克萨斯州大小的部分的高度相互对齐，精确度为大约 1.5 英寸。”随后进行了精细调整，涉及到一套更加深奥的过程，旨在尽可能完美地聚焦镜子。然后调整生成的图像，使其在韦伯望远镜的四个主要科学仪器的视野中正确对齐。最后，七步校准过程中的一些步骤被重做或改进，以完全优化镜子，使其符合地球创造者和潜在用户的喜好。最终，韦伯望远镜的校准非常成功，产生的图像甚至比其工程师做出的“最乐观的预测”更清晰。美国宇航局表示，该图像非常详细，以至于它实际上已经达到了韦伯望远镜大小的镜子的物理分辨率极限，这意味着它必须违反已知的物理定律才能解析更多细节。完成镜子校准后，JWST 在科学操作开始之前只剩下一个主要障碍：仪器调试。调试是一个包罗万象的短语，涵盖了验证 JWST 的四个主要仪器是否按预期运行并尽可能准确可靠地完成设计工作所需的广泛校准、分析、实验和优化。在某些时候，极其复杂的科学仪器的使用变得更像一种艺术形式，科学家和他们充满希望的贸易工具之间必须建立一定程度的信任，然后他们才能自信地在大理石上凿凿并开始钻研前所未有的广度和细节。如果调试与部署和校准一样顺利，JWST 团队最早可以在 2022 年 7 月捕捉和分享望远镜对宇宙的第一次可操作观测。