韦伯望远镜强大光学镜片技术背后的科学秘密

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜是迄今为止送入太空的最大、最强大的望远镜，它的镜面由18个独立的六边形片段组成。 这些镜片被精确地排列在一起，就像一个 21.6 英尺（6.5 米）高的反射镜。

校准和维护这个复杂的系统需要由敬业的工程师和光学科学家组成的团队的持续关注。 太空望远镜科学研究所负责韦伯望远镜的首席天文光学科学家Marcio B. Meléndez博士分享了他对发射后对准韦伯望远镜镜面的挑战的见解，以及为确保其准确性而在整个科学运行过程中持续开展的工作。

在韦伯成功发射和部署后不久，就开始了对准其大型金色反射镜的复杂过程。 从刚刚飞上太空的18个未对焦的独立片段的初始部署，到仅受光学设计限制的完全对齐系统，花了近三个月的时间。

虽然望远镜的精确对准在2022年初的调试过程中就已完成，但由于温度变化和所谓的'倾斜'事件等各种因素，它并不能自然保持这种状态，因此需要一个终身维护计划。 负责维护韦伯望远镜反射镜的波前传感团队一直在对其进行监测、调查和趋势分析，偶尔还会在科学运行期间移动其主反射镜部分。 这些活动都是在位于巴尔的摩太空望远镜科学研究所的韦伯任务运行中心进行的。

该望远镜监测计划包括一系列观测，使用近红外照相机仪器（NIRCam）内的特殊光学传感设备，通过一组镜头有意将恒星图像的焦距调整到已知的程度。 这些散焦后的恒星图像含有可测量的特征，使研究小组能够利用一种称为相位检索的方法来确定我们所说的"波前误差"，从而推导出望远镜的对准情况。 望远镜监测观测目前每隔一天进行一次，穿插在韦伯的科学观测中，运行时间很短，约 20 分钟。 所有望远镜监测观测数据均可通过MAST档案公开获取。 天文台用户和其他感兴趣的研究人员也可以使用专用工具查看光学质量并建立模型。

左图为 2.12 微米处的 NIRCam 聚焦图像。 中间和右边显示的是在两个不同的故意散焦位置上的 NIRCam 图像，这些图像是在望远镜监测计划期间使用的，用于显示评估望远镜校准的特征。 资料来源：美国国家航空航天局

维护程序还使用专门的'瞳孔成像'镜头进行'自拍'，该镜头设计用于拍摄镜片图像而非天空图像，每年拍摄四次。 这些瞳孔图像用于评估主镜的健康状况。 在每次观测过程中，团队都会测量韦伯的指向稳定性或"抖动"，韦伯的指向稳定性一直比设计要求高出六倍。Fine 导向传感器用于指挥一个小型的机载可转向镜锁定目标，当目标在轨道上移动时，其偏差不会超过一根头发丝的粗细，观测距离为 7 英里（11 公里）。

这台望远镜的整体光学性能远远优于设计要求，这意味着观测结果对暗淡天体更加敏感，对细微特征的辨别能力也比预期的更强。 韦伯望远镜的光学要求设定为 150 纳米的波前误差，该误差来自于不可修正的表面图形缺陷和可修正的望远镜偏差。 目前不可修正的误差非常低，约为 65 纳米。望远镜对准计划的目标是实现并保持这一误差，当观测到的偏差累积超过预定标准时，就会对主镜部分发出指令，对系统进行重新对准。

美国国家航空航天局詹姆斯-韦伯太空望远镜的波前误差因镜面的微小偏差而变化，这些偏差是可以纠正的，如绿色向下箭头所示。 波前误差值越小，表示成像性能越好。 图中所示的较大偏差是由单段或多段突然发生的所谓"倾斜事件"造成的。 校正后，如绿色所示，望远镜将恢复到最佳对准状态。 10 月 3 日，进行了一次镜面校正，这是自上次镜面控制更新以来的第 186 天。 资料来源：美国国家航空航天局

主镜的每个镜片都可以以六个"自由度"重新定位，即六种不同的运动方式。 镜片的弯曲表面也可以进行一定程度的改变，以调整焦距。 韦伯望远镜的镜面通过背板结构的稳定支撑保持被动对准。 当韦伯望远镜指向天空中的不同位置时，从太阳吸收的热量会发生变化，从而引起支撑结构上微小（0.1 kelvins）的温度变化，从而驱动微小的物理运动。 这些微小的位移会导致镜面错位。 这种变形非常小，只占波面变化的几个纳米。 除此之外，结构还会突然发生偏移，我们称之为倾斜事件。 我们目前对这些事件的理解是，它们与镜面支撑结构中储存的微小但突然的能量释放有关。

望远镜镜面控制的更新频率要求低于每两周一次。 当观测到望远镜不对齐时，望远镜团队会在 48 小时内按照不同飞行系统之间协调良好的程序进行校正。 在此期间，团队创建了一套镜面运动，旨在重新对齐镜片。 这些动作被转换成命令，然后上传并执行。 在执行这些校正动作之后，会进行一组新的观测，以确认望远镜的对准情况。 自科学运行开始以来已经应用了超过 25 次校正移动。 图 3 显示了所有波前测量的时间序列和相应的区段偏移。 10 月 3 日，在距离上一次镜面控制更新 186 天之后，进行了一次镜面校正。

图 3. 美国国家航空航天局詹姆斯-韦伯太空望远镜 NIRCam 对焦图像的延时图（左）和相应的镜片偏移图（右），涵盖了自 2022 年 7 月 12 日科学运行开始以来的所有望远镜维护观测。 尽管单个镜段发生了微小的移动，如右侧不同镜段级别的变化所示，但左侧观测到的对焦图像通常变化不大。 资料来源：美国国家航空航天局

韦伯望远镜的镜面校准所需的校正次数比预期的要少，因此有更多的时间进行科学观测，并为未来的任务提供了宝贵的见解。 调整需求的减少表明这台望远镜比预期的更加稳定--这对即将开展的项目（如NASA未来的宜居世界天文台）来说是一个至关重要的因素。 该天文台将是第一台专门用于搜寻附近类太阳恒星周围地球大小的行星上生命迹象的太空望远镜，同时还将解决更广泛的天体物理学问题，以揭开宇宙的神秘面纱。

通过严格的测量和控制整体维护计划，团队确保韦伯的光学性能处于尽可能高的水平，以揭开宇宙隐藏的奥秘。

关于作者：

Marcio B. Meléndez 博士是太空望远镜科学研究所的首席天文光学科学家。 他是太空望远镜科学研究所望远镜分部波前传感小组的成员。

编译自/ScitechDaily