科学探索|新的宇宙曙光：等待了二十多年的詹姆斯·韦布太空望远镜( 四 ) 新的宇宙曙光：等待了二十多

在陆地制冷机中，这样的系统还是很容易实现的。然而，对位于深空望远镜上的冷却器就有一定的困难。例如，预冷器和氦气节流阀之间的距离，通常情况下，这两个部件之间只有几厘米的距离，但在JWST上距离有好几米。因此，让氦气在通过望远镜的管道时保持温度是至关重要的。另一个挑战是振动，任何包含移动部件的低温系统都会产生一些振动，但在JWST上，这些振动最终是被消除的，因为活动机械的任何抖动都会振动光学系统，从而产生模糊的图像。因此，JWST的制冷机仅包含两个活动部件：CCA中一对水平相对运动的活塞泵，它们是专门设计的，运行起来非常平稳。
新的展望
JWST并不是唯一一个将在21世纪20年代开始运行的主要天文设施。事实上，它是三个望远镜之一：维拉·C 。鲁宾天文台（Vera C Rubin Observatory）将于2022年在智利开始观测，而南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（Nancy Grace RomanSpaceTelescope）目前计划于2027年发射。这两个设施都将是全天巡天工作的领导者，重点是在大片天空中观察尽可能多的天体。这类巡天项目对于收集大量天体的数据至关重要。在除此之外的其他项目中，它们将努力提供测量暗能量强度的统计数据。
目前这一领域的领先者是位于基特峰国家天文台的尼古拉斯·U 。梅奥尔（Nicholas U Mayall） 4 m望远镜，其暗能量光谱仪（DESI）可以一次进行5000个光谱观测。这个数字远远超出了JWST的能力，但由于NIRSpec设备的存在，新的太空望远镜仍将完成相应的天文巡天观测。NIRSpec可以一次收集100个天体的光谱数据，使JWST拥有其他太空望远镜从未有过的能力，并为天文学家提供了新的视角。
为了使JWST适合于巡天工作，它的设计者不得不超越DESI已经在使用的技术。在过去，同时观测是一个费力的过程，需要手动将光纤固定在铝板上打孔的位置。DESI避免了这种情况，这要归功于机器触动器，它将光纤固定在仪器视野内的任何位置，并且可以每20分钟移动一次，从而允许仪器在一个晚上进行大量的观测。不幸的是，这一解决方案被认为对天基天文台不可行。“当我们选择在JWST上的工作方式时，我们观察了DESI的机器人光纤方式，我们很难想象机器人能够在太空中做到这些。”Mather说。
由于机械触动器无法在JWST的低温下以极高的精度运行，而且没有技术人员可以手动改变光纤的位置，Mather和他的同事们需要一个与众不同的解决方案。他解释道，事实上他们需要一种完全不涉及光纤的解决方案，因为“没有光纤可以覆盖我们想要覆盖的整个波长范围” 。
NIRSpec团队的解决方案非常巧妙。该仪器的焦平面被分成四个象限，每个象限大约一张邮票大小，里面装满了62000个微快门，每个微型快门的尺寸只有100×200 μm，由氮化硅制成，氮化硅具有很高的抗拉强度，足够坚韧，可以多次打开和关闭，而且不会疲劳（图3）。在每一次观察过程中，需要打开的快门将接收到来自扫过象限区域磁臂的电信号，该系统将允许JWST在执行任务期间研究数千个最遥远星系的光谱，了解它们的化学组成、恒星形成率、红移等。Feinberg说：“我们在第一年里要完成几百个科学提案，每个提案都可以证明韦布望远镜的价值。”

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图3 打开和关闭。詹姆斯·韦布太空望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）的微快门阵列将使该望远镜能够研究数千个最遥远星系的光谱

虽然哈勃望远镜和JWST有很多相似之处，但也有很多不同之处。其中尤其重要的是，望远镜工作的地方就不一样。当哈勃2.4 m的主镜被磨得出现失误时——当时工程师们还不知道——它导致了哈勃望远镜的球面像差。美国航天局的宇航员随后在1993年进行了一次大胆的太空行走，他们成功地安装了一台新仪器，为哈勃望远镜增添了一双新眼睛。哈勃望远镜在地球轨道附近工作，这与JWST所在的L2点的位置不同——太远了，宇航员无法到达从而进行维修任务。