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工程11(2022)3新闻亮点带着巨大的期望,韦伯望远镜终于升空了米奇·莱斯利高级技术作家在过去的30年里,哈勃太空望远镜使天文学发生了革命性的变化,并以华丽的宇宙照片让公众敬畏。科学家们预计哈勃的继任者詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)将取得更大的成就,该望远镜于2021年12月25日从法属圭亚那库鲁的圭亚那航天中心的阿丽亚娜5号火箭上发射升空。 1)[1]。美国加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学教授加思·伊林沃思说:“JWST将像服用类固醇的哈勃一样。”新望远镜研究人员预计,JWST将使他们能够看到一些最早的恒星和星系,更准确地测量宇宙膨胀的速度,扫描遥远行星的大气层以寻找生命的化学迹象,并进行其他前所未有的观测。但是,这个由美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局和加拿大航天局联合组建的项目,由于成本超支和延误,几乎没有进入发射台[4]。望远镜是否能按设计工作并提供科学回报还有待观察。美国纽约石溪大学天体物理学研究教授保罗·萨特说:“这是我们建造的最复杂的天文台,也可能是我们送入太空的最复杂的机器。”部署这台有大约100万个活动部件的望远镜,并保持其仪器在距离地球100多万公里的地方运行,需要无数创新的工程解决方案,其中一些无法在地面上进行测试[5]。一长串344个潜在‘‘It is risky,” Illingworth伊林沃思是大约35年前提出新太空望远镜想法的研究人员之一,甚至在哈勃离开地面之前。在考虑了包括月球设施在内的各种选择后,科学家们决定使用一个直径为6.5米的主镜的轨道红外望远镜。在红外线中观察提供了几个优于使用可见光的优点。由于宇宙在膨胀,最遥远和最古老的星系正在快速远离地球,以至于它们的光转变为近红外和红外[7]。伊林沃思说:“早期的星系是如此的红移,以至于用哈勃望远镜是不可能看到它们的。”另一个好处是,与可见光不同,辐射可以穿过隐藏着正在形成的行星和恒星的尘埃团。JWST的主镜由18个覆盖着黄金的六边形铍面板组成(图1)。 2(a))。望远镜的设计者选择绿柱石是因为它非常轻--每块面板的重量只有哈勃主镜相当面积的十分之金涂层具有高反射性,使镜子能够将其接收到的98%的辐射引导到副镜,然后将光线引导到望远镜的四个JWST将捕获0.6至28l m的波长,覆盖电磁波谱的红外区域的重要部分[8]。哈勃的Fig. 1. 携带JWST的阿丽亚娜5号火箭于2021年12月25日爆炸。尽管前几周出现了一些小故障,但发射顺利进行,望远镜开始了距离地球150万公里的轨道位置的旅程。图片来源:NASA/Chris Gunn(CC BY 2.0)。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.02.0022095-8099/©2022 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/eng4---M. 莱斯利工程11(2022)3图二. (a)技术人员准备望远镜展开的主镜,主镜直径6.5米,重705公斤。(b)遮阳板长21米,宽14米,它的五层在升空时倒塌了。一旦望远镜进入太空,防护罩就像手风琴一样展开,形成了这里所示的结构。图片来源:(a)NASA/ Desiree Stover(CC BY 2.0);(b)NASA/Goddard/Chris Gunn(CC BY 2.0)。宇航员在望远镜发射后安装的红外摄像机为了辨别在太空中传播的微弱红外信号,JWST需要处于极冷状态-其中三台仪器的最佳工作温度为236 °C,而中红外仪器(MIRI)必须保持在266 °C以下[10,11]。这就是为什么JWST将在大约150万公里外的第二拉格朗日点(L2)运行,而不是像哈勃那样在地球上空几百公里处运行。在这个距离,从地球散发的热量不会干扰望远镜 与哈勃的近距离轨道相比即使在太空的冰箱里,太阳也会温暖JWST。工程师们设计了两种方法来降低望远镜的温度。MIRI有自己的制冷机[11]。冷却整个望远镜是该项目的标志性工程创新之一每个风筝状层由一个有光泽的,耐热的薄膜组成,称为Kapton,涂有铝[13]。两个外层的向阳面也覆盖着经过处理的硅,可以反射阳光[13]。五层厚度范围为0.025至0.05 mm,可捕获热量并将部分热量导入空间,提供比单层更多的保护[13]。因此,虽然望远镜的向阳面可以达到120 °C以上,但镜面面仍然保持300 °C以上的温度[7]。哈勃几乎成为美国宇航局最大的灾难之一JWST经过更彻底的审查,部分原因是,与哈勃不同,它太远了,宇航员无法修复。物理学教授J.R.美国犹他州洛根市犹他州立大学的丹尼森和他的团队花了五年时间测试望远镜的许多材料,包括许多部件中使用的碳纤维复合材料,遮阳板的Kapton和镜子的一些光学涂层,以确定它们在太空中的表现。在后来的测试中,工程师们用起重机吊起组装好的镜子,模拟失重状态,让他们能够衡量镜子是否18块在发射过程中折叠起来的面板(图3)可以在太空中打开成正确的形状。JWST还通过了NASA位于美国德克萨斯州休斯顿的37米高的低温真空室的太空价值试验JWST复杂的工程设计和详尽的测试是有代价的,几乎注定了这个项目的失败。在1996年,NASA预计望远镜将在2007年左右发射,耗资10亿美元-专家们认为这个数字低得不切实际[17]。随着项目2011年,美国众议院对飙升的成本和延迟感到沮丧,投票决定扼杀望远镜,只有在激烈的游说之后才恢复资金,其中包括学生写信运动[18]。美国政客并不是唯一的批评者。《自然》杂志上的一篇文章称该项目萨特也对它的价值表示怀疑:现在JWST已经起飞,研究人员希望它已经把争议抛在脑后。在执行任务的第三天,望远镜开始部署它的太阳防护罩,它和它的镜子一样,在发射过程中被折叠起来,以适应阿丽亚娜5号火箭的整流罩科学家们担心,因为在地球上的测试无法复制盾牌但是107个执行器和90根电缆图三. 由于太大而无法装入火箭的整流罩,望远镜在发射前被折叠成这种较小的结构图片来源:NASA/Chris Gunn(CC BY 2.0)。5······×M. 莱斯利工程11(2022)3它们必须同步工作来扩展结构,它们完成了自己的工作[20,21]。望远镜主镜的两翼假设没有故障,JWST将为红外天文学提供巨大的推动,美国亚利桑那州图森市亚利桑那大学天文学教授罗杰·汤普森说,他是哈勃红外相机的项目经理。‘‘It is big, it is cold, and it can go to so much longerinfrared wavelengths than 例如,他指出,JWST可能允许科学家观察包含第一批恒星的星系的光,这些恒星在大约135亿年前开始闪耀[24]。他说,到目前为止,天文学家只能探测到后来从这些早期恒星的残骸中形成的恒星。‘‘We think we know whatJWST可以看到比哈勃更早的5亿年,并解决大爆炸后约2亿年形成的物体[2]。这种能力将使美国纽约罗切斯特理工学院物理学和天文学副教授Jeyhan Kartaltepe及其同事能够研究最早星系的形成和演化。她和她的同事获得了JWST观测时间的最大分配-大约10000小时的可用时间中的208小时-以普查天空中一个区域的星系[25]。虽然研究人员已经瞥见了一些这些古老的星系,JWST还可以帮助天文学家改进他们对宇宙膨胀的测量美国伊利诺伊州芝加哥大学天文学和天体物理学教授温迪·弗里德曼及其同事利用哈勃太空望远镜对两种类型的恒星(脉冲造父变星和大质量红巨星)的观测,估计宇宙正在以大约70到72的速度膨胀km s-1 Mpc-1(Mpc表示百万秒差距,1 Mpc = 3.09 1022 m)[26,27]。其他研究表明,甚至更高的值约为74 km s-1 Mpc-1[26]。然而,根据对大爆炸遗留下来的微波辐射的测量,估计其速率约为67 km s-1 Mpc-1[27]。这种差异很重要,因为更快的速率与理论预测相矛盾,可能意味着一个未被认识到的因素正在加速宇宙JWST她说:“望远镜这些只是研究人员希望JWST将允许他们在其预计的10年寿命内进行探索。‘‘It is going引用[1] Overbye D,Roulette J. James Webb望远镜开始了看到星光黎明的旅程。纽约市 : 纽 约 时 报 ; 2021 年 12 月 25 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 查 阅 :https://www.nytimes.com/2021/12/25/science/james-webb-telescope-launch.html。[2] Clery D.第一光机[互联网]。华盛顿特区:科学; 2021年11月12日[引用2022年1月20日]。可从以下网址获得:https://dx.doi.org/10.1126/science acx9595。[3] 麦基河詹姆斯·韦伯太空望远镜:寻找银河系的秘密。伦敦:卫报; 2021年11月27日[引用2022年1月20日]。可查阅:https://www.theguardian.com/science/2021/nov/27/james-webb-space-telescope-launch-delays-cost-big-bang。[4] 轮盘赌J 美国宇航局最大的望远镜如何击败松动的螺丝,松动的预算和松动的夹子。纽 约 市 : 纽 约 时 报 ; 2021 年 12 月 25 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 查 阅 :https://www.nytimes.com/2021/12/23/science/webb-nasa-launch-delay.html。[5] 沃尔彻弗河韦伯太空望远镜将改写宇宙历史。如果它工作[互联网]。纽约市:Quanta;2021年12月3日[引用2022年1月20日]。可用来自:https://www.quantamagazine.org/why-nasas-james-webb-space-telescope-matters-so-much-20211203/。[6] 阿肯巴赫河美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜将打开一个新的窗口宇宙-如果一切顺利[互联网]。华盛顿特区:华盛顿邮报; 2021年12月25日[引用2022年1月20日]。网址 : https : www.washingtonpost.com/science/interactive/2021/webb-space-telescope-launch/。[7] 普尔塔洛娃湖詹姆斯·韦伯太空望远镜:不允许失败的“第一台光机器”背后的工程纽约市 : 太 空 ; 2021 年 12 月 21 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 查 阅 :https://www.space.com/james-webb-space-telescope-engineering-challenges。[8] 哈勃望远镜[互联网].华盛顿特区:NASA;[引用2022年1月20日]。可 查 阅 :https://www.jwst.nasa.gov/content/about/comparisonWebbVsHubble.html。[9] 戈赫德角美国宇航局这就是为什么(互联网)。纽约市:太空; 2021年12月14日[引用2022年1月20日]。网址:https://www.space.com/nasa-james-webb-space-telescope-mirror-explained。[10] 维 策 河 耗 资110 亿 美 元 的 韦 伯 望 远 镜 旨 在 探 测 早 期 宇 宙 。 Nature 2021;600(7888):208[11] Webb Innovations crycooler [Internet].华盛顿特区:NASA; [引用2022年1月20日]。可查阅:https://webb.nasa.gov/content/about/innovations/cryocooler.html。[12] “L2”将成为詹姆斯·韦伯太空望远镜在太空中的家。华盛顿特区:NASA; 2010年6月 23 日 [ 引 用 于 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 :https://www.nasa.gov/topics/universe/features/webb-l2.html[13] 关于防晒霜[互联网]。华盛顿特区:NASA; [引用2022年1月20日]。可从以下网址获得:https://webb.nasa.gov/content/observatory/sunshield.html[14] Capersand RS,Lipton E. NASA,珀金埃尔默分担哈勃缺陷的责任,专家组说。巴尔的摩:巴尔的摩太阳报; 1990年11月26日[引用2022年1月20日]。可查阅:https://www.baltimoresun.com/news/bs-xpm-1990-11-26-1990330097-story.html。[15] 格鲁什湖美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜即将转变为它的最终形式。纽约市 : 边 缘 ; 2021 年 12 月 28 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 :https://www.theverge.com/2021/12/28/22816310/nasa-james-webb-space-telescope-jwst-deployment-sequence。[16] Amos J. James Webb太空望远镜的金色镜子在最后的测试中。伦敦:BBC新闻;2021 年 5 月 12 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得www.bbc.com/news/science-environment-57078657:[17] 格鲁什湖为什么美国宇航局正在努力让其最强大的太空望远镜离开地面。纽约市 : 边 缘 ;2018 年 8 月 1 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 从https://www.theverge.com/2018/8/1/17627560/james-webb-space-telescope-cost-estimate-nasa-northrop-grumman获得。[18] 格林菲尔德博伊斯为什么一些天文学家曾经担心美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜永远不会发射。华盛顿特区:NPR; 2021年12月22日[引用2022年1月20日]。可 从 : https://www.npr.org/2021/12/22/1066377182/why-some-astronomers-once-feared-nasas-james-webb-space-telescope-would-never-la获得。[19] 比林斯湖太空科学:吃掉天文学的望远镜。伦敦:自然; 2010年10月27日[引用2020年1月20日]。可从以下网址获得:www.nature.com/articles/4671028a[20] 哈伍德·W詹姆斯·韦伯太空望远镜的部署开始于100亿美元任务的关键里程碑。纽约 市 : CBS 新 闻 ; 2021 年 12 月 28 日 [ 引 用 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 从 :https://www.cbsnews.com/新闻/james-webb-space-telescope-sunshade-deployment-begins/。[21] Amos J. James Webb太空望远镜:遮阳板完全展开。伦敦:BBC新闻; 2022年1月5日[引用2022年1月20日]。可从以下网址获得:www.bbc.com/news/science-environment-59873738[22] 扎 斯 特 罗 湾 詹 姆 斯 · 韦 伯 太 空 望 远 镜 成 功 地 展 开 镜 子 。 Waukesha :Astronomy; 2022 Jan 12 [cited 2022 Jan 20]. 可 从 以 下 网 址 获 得 :https://astronomy.com/news/2022/01/james-webb-space-telescope-unfolds-mirrors-completes-deployment。[23] 维策河韦伯望远镜到达其最终目的地远离地球[互联网]。伦敦:自然; 2022年1月24日[引用2022年1月25日] 。可从以下网址获得www.nature.com/articles/d41586-022-00128-0:[24] 普尔塔洛娃湖詹姆斯·韦伯太空望远镜:其他天文台无法解决纽约市:太空; 2021年12月24日[引用2022年1月20日]。可查阅:https://www.space.com/james-webb-space-telescope-science-overview。[25] 格鲁什湖天文学家如何决定指向美国宇航局有史以来建造的最强大的太空望远镜。纽约市:边缘; 2021年12月20日[引用]2022Jan20]。可用发件人:https://www.theverge.com/22789561/nasa-jwst-james-webb-space-telescope-priorities-astronomy-astrophysics-exoplanets.[26] 沃尔彻弗河新的皱纹添加到宇宙学纽约市:Quartz; 2020年2月26日[引用于2022年1月20日]。网址:https:www.quantamagazine.org/new-wrinkle-added-to-cosmologys-hubble-crisis-20200226/。[27] 斯特里克兰红巨星创造了测量宇宙膨胀速度的新方法。亚特兰大:CNN.com;2019 年 7 月 16 日 [ 引 用 于 2022 年 1 月 20 日 ] 。 可 查 阅 :https://www.cnn.com/2019/07/16/world/hubble-universe-expansion-rate-scn-trnd/index.html。
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