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詹姆斯·韦伯的独特尖峰从何而来？

2022-03-24 12:37阅读：

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詹姆斯·韦伯的独特'尖峰'从何而来？
当我们开始用哈勃望远镜成像宇宙时，每颗恒星都有四个来自它的'尖峰'。这就是为什么韦伯将拥有更多的。.
STARTS WITH A BANG — MARCH 22, 2022
Ethan Siegel

詹姆斯·韦伯的独特尖峰从何而来？

由美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）发布的第一张精细相位图像显示一颗恒星的单一图像，完全有六个突出的衍射尖峰，背景中揭示了背景恒星和星系。像这张图像是的一样惊人，它很可能是你从来看到的最糟糕的詹姆斯·韦伯太空望远镜图像。(Credit
: NASA/STScI)
关键要点
自2021年12月发射以来，美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜已成功达到并超越了发射到达和配置中的许多重要里程碑。
在望远镜进入太空的头六个月里，镜子和仪器正在冷却和校准为科学操作做准备，它要么正确的要么提前完成一切。
但当观察第一张对齐的图像时，你可能会注意到来自它们的第一颗恒星的不寻常的尖峰模式。这里是为什么这些峰值中至少有六个将始终存在的
在首次发射后不到三个月，它终于发生了：詹姆斯韦伯太空望远镜揭示了它的第一张望远镜对准评估图像。人类最新的、最伟大的旗舰天文台已经首次成功地对齐、聚焦并精细调相了来自所有它的18个主镜段的光来成功产生一颗'测试恒星'的单一图像。结果是如此好以致甚至在这张初步图像中遥远背景中的微弱恒星和星系也能被看到、分辨甚至详细检查。这是一个了不起的胜利，正如美国宇航局他们自己宣布的那样，'每个已经被检查和测试的光学参数正在或高于预期表现'。
尽管如此，你会注意到的是甚至粗略地看一下图像图像上的主要'星星'有一系列出自它的尖峰：六个大的和两个更小的，甚至缩小并且分辨率低都仍然可见。相比之下，哈勃太空望遠鏡只有四個尖峰被附在每顆恆星上，而一个即將推出的25米地面望遠鏡巨大麦哲伦望遠鏡將成為同類天文台中第一個毕竟在恆星上沒有尖峰的天文台。就尖峰而言，这里是我们能从詹姆斯韦伯太空望远镜期望的，甚至在满最大功率下。
詹姆斯·韦伯的独特尖峰从何而来？
艺术家渲染显示，在美国宇航局™的詹姆斯韦伯太空望远镜在它的太空中部署后，从主镜和次镜反射掉的光线。(Credit: NASA/Mike McClare)
关于詹姆斯·韦伯太空望远镜你必须意识到的第一件事是与哈勃望远镜不同，它不是一个单碟镜子。相反，它的主镜有18个单独的部分，一个优化配置的詹姆斯·韦伯太空望远镜的目标将是让所有那些18个部分的功能王茹它们是一个单个镜子一样，在单个平面上，有光学完美。
在这个例子中，'光学完美'意味什么？
这意味着18个部分中的每一个都将构成一个完美镜子的一部分，所有被设计来让累积的来自一个遥远的观察到的目标的光线击中它焦点精确的下到一个在望远镜仪器中的一个单个点上。这是一项巨大的雄心勃勃的任务，需要我们弥补：
每个段之间的间距，
每个段的边缘、特别是尖角，
被保持次镜在主镜前面的桁架引起的光学缺陷
. 以及跨每个段和来自段与段的单个变化。
詹姆斯·韦伯的独特尖峰从何而来？
这张图片显示被安装在詹姆斯·韦伯太空望远镜上的18个主镜段中每个部分的大小和比例，并用一个人类比较。在太空中，每个六边形部分彼此之间只有约4毫米的空间，但与被所有18个镜子所追踪的整个平面必须占据的约20纳米抛物面形状相比4毫米是巨大的。(Credit: NASA/MSFC/David Higginbotham/Emmett Given)
每个单独的部分本身回到20世纪的不同时间点都已经全靠它自己成为一个壮观的尖端的天文台。如果你想合适地聚焦你的光线，你需要避免最初困扰哈勃太空望远镜的问题：球面像差。对于透镜和反射镜球面形状比其他曲线（如抛物线）更容易制造，并且大型透镜和反射镜的形状能因引力被扭曲。
因此，当韦伯（Webb）在地球上被建造但被发射在太空中运行时，人们担心一切都可能不正确的落到位。即使镜子被检查和重新检查，再重新检查，一次又一次，总是有某些光学元件的东西会出问题的担心。如果是这样的话，那么镜子将会不能够将遥远的星光聚焦成所愿望的单个图像中，我们必须找到一些方法来补偿将发生的模糊性。
詹姆斯·韦伯的独特尖峰从何而来？
一个有一个圆形无遮挡孔径允许单色点源的球面像差的光学系统的模拟。你能看到聚焦不足的光线（顶部）、聚焦过多的光线（底部）和聚焦最佳的光线（中央）之间的极端差异。哈勃的主镜有球面像差的问题;韦伯的镜子没有。(Credit: Mdf at English Wikipedia)
对于詹姆斯·韦伯（James Webb）拥有的18个镜子段有三个单独的每个需要分别被制造六次的设计：
'A'段，用于内部部分，其中六个六边形边缘中的五个将与另一个镜子段接壤，但最内的一个将留下一个光线被反射到内部到仪器上的间隙，
'B'段位于六边形蜂窝的外角，每个段都有三条与另一个镜子段接壤的边缘，但三条边包含主镜的外边界，
'C'段它们位于'B'段之间，并拥有四条与另一个镜段接壤的边， 但两条边与'B'段一起定义了主镜的外边界。
因此，詹姆斯·韦伯太空望远镜主镜的形状构成一种称为三边形或一个30面多边形。这是一个要应付的非常非常复杂的几何形状，所需的来生产一个高质量数据产品的技术成就字面上是天文数字的。
詹姆斯·韦伯的独特尖峰从何而来？
这张图片显示构成詹姆斯·韦伯主镜的18个独立部分，以及三组独立的镜子，用字母A、B和C以及数字1-6标记，对应于当前部署的望远镜上每个镜子的安装位置。(Credit: NASA/James Webb Space Telescope team)
在未聚焦状态下，詹姆斯·韦伯太空望远镜将简单地由18个单独的镜子组成，每个镜子都有它们自己的形状，它们自己的焦点平面，每个镜子都会为我们正试图观察的任何天体产生自己的图像。.
目标是让这 18 个段中的每一个一起形成一个单一平面，有一个抛物线形状。跨度为大约6.5米（约21英尺），平面中的变化，无论是跨每个段还是从段到段都应该为最佳性能在约20纳米左右。顺便说一句，这是一个令人难以置信的精度。如果地球表面像韦伯的光学精度一样平滑，就地球的整个大小像韦伯的光学精度一样那么最高的山峰和最深的海沟总共只能偏离海平面约2厘米（不到一英寸）。
当韦伯拍摄了它的第一张一颗恒星的图像试图看看这18个段产生了什么样的图像时，很明显，团队还有很多工作要做。
james webb spikes
这张图像马赛克是通过将望远镜指向大熊座中一颗明亮的叫HD 84406的孤立恒星创建的。这颗恒星被专门选择，因为它很容易识别，并且不会被其他亮度相似的恒星拥挤，这帮助减少背景混淆。马赛克中的每个点都由捕获它的相应主镜段标记。这些初步结果与预期和模拟非常匹配。(Credit: NASA)
你会注意到，当你观望初始（上图）图像

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