韦伯望远镜强大光学镜片技术背后的科学秘密主镜波前镜面反射镜

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。

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。

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。

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（0.1kelvins）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。

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：

MarcioB.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。