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韦伯望远镜:用芯光点亮131亿年前的星光灿烂

来源:新思科技

#新思科技#

07-14 13:29

(图片来源:NASA)

昨天,詹姆斯·韦伯望远镜回传了第一组震撼的太空图片,这是迄今为止最清晰的宇宙红外图像。如此清晰的图像是如何拍摄的呢?作为韦伯太空望远镜产品集成团队成员,新思科技用其最适合解决光学建模问题的CODE V®光学设计软件,助力韦伯望远镜成功克服在太空中进行拍摄的光学挑战。

韦伯望远镜:更尖端,更严苛

建造韦伯太空望远镜的最大挑战之一是如何将其放置在太空中才能克服地球大气层对光线的扭曲反射。虽然将其放到离地球表面100万英里之外能够解决这个问题,但另一个问题是:温度不够低。来自太阳和地球的温度将影响仪器观测太空深处物体红外能量的能力,从而影响图像质量。因此,科学家们设计了一个比网球场还大的太阳能遮阳板来遮挡来自太阳的热量。为了保证遮阳板工作正常,科学家建造了五层遮阳板,这样韦伯太空望远镜便可以在高于绝对零度40度的温度环境中正常运行。

韦伯太空望远镜是人类有史以来建造的最大的太空望远镜,其尺寸和复杂度远大于哈勃望远镜。主镜与一个网球场大小相当,可折叠,由18块六角形反射镜组成。而哈勃望远镜的主镜只有一块反射镜,直径约为韦伯望远镜的三分之一,且不可折叠。韦伯望远镜的创新不仅体现在折叠主镜上,反射镜的材质也是一种创新。反射镜由铍制成,铍是一种相对稀有的金属,重量是铝的三分之一,但强度是钢的六倍。韦伯望远镜还配置了全球首款新的显微技术装置“微型百叶窗”,使望远镜更清楚地观测到遥远的天体和星系。此外,杂散光控制技术也是此次采用的新技术。另外,大约有20项全新技术的等级必须技术成熟度(TRL)3或4(通过实验验证)提升到TRL 6(能在太空低温环境下运行),从而确保望远镜能万无一失的在太空中进行工作。

严苛测试保证运行

毋庸置疑,测试环节是韦伯太空望远镜成功的重要一环。太空望远镜这样的大型项目需要进行大量测试,以确保正常运行。为避免出错,必须制定有效的测试策略。例如,如果想知道主镜的形状,就需要进行两次测试,以保证测试结果的准确性。如果两次测试结果不一致,就需要对设备进行诊断,确定正确结果,尽快解决问题。

新思科技光学事业部是韦伯太空望远镜产品集成团队成员。产品集成团队也称为PIT小组,小组成员均具有非常丰富的经验,曾为NASA、大型天文台或军队制造过大型望远镜。在制定测试策略时,PIT试图将所有可能发生的故障情况都考虑在内,尽其所能建立应急机制。即便如此,墨菲定律依然会意想不到的方式出现,所以我们通常会提出一些应急问题:

1. 韦伯太空望远镜是否能在17块反射镜的情况下工作?

2. 如果其中一个反射镜无法聚焦光线,该如何获得较好的成像效果呢?

3. 如果一些关键测试结果不一致,该怎么办?我们是否真的知道测试的准确性?

4. 我们收集了所有必要的诊断措施吗?

5. 对于每一种测试,我们是否制定了应急计划?我们的B计划是什么?

6. 我们是否留有足够的备用时间?

为了降低墨菲定律的影响,我们对每个会影响光学性能的设备进行了至少两次已知精度的测试。从测试综合结果来看,这些设备都已达到在TRL 6的技术标准下运行的条件,与预期一致。

韦伯太空望远镜背后的光学设计软件

要建立一个由18块反射镜组成的可展开、可调节主镜和次镜的模型,并确保所有衍射计算都正确,并非易事。这些光学问题都可以由CODE V来解决,所以我们的任务是:

1. 让望远镜在可见光、红外光…等不同的场景,不同波段范围都能正常进行拍摄工作。

2. 确保波前传感和控制系统能在聚焦位置不同的情况下,具有准确的对准能力。

3. 让由多块反射镜组成的望远镜所产生的影像需要重组起来,使其看起来如同一个完整的、未分割的影像。

新思科技的CODE V®光学设计软件是解决光学建模问题的最合适的工具,因此成为了设计望眼镜的主要软件工具。事实证明,新思科技的光学设计软件、优秀的NASA团队以及PIT小组是最佳组合。CODE V不但是大多数专业光学开发者首选的光学设计工具,而且在太空望远镜的设计方面也久负盛名。其参与的设计项目包括:斯皮策太空望远镜、露西科学探测器、OSIRUS-REx航天器、钱德拉X射线望远镜和韦伯太空望远镜等。此外,CODE V还被用于设计和验证哈勃首次维修任务中的校正光学系统工具。

▲ 用CODE V进行望远镜建模

CODE V成为首选软件的主要原因是:当在望远镜的不同视角点采集测试数据时,科学家们发现,在探讨如何通过调整镜片达到修正效果、需要多少对准、哪里需要对准、哪个方向需要对准时,CODE V是不二之选。用CODE V对光学硬件进行二次对准和调整的便捷性是其他软件无法比拟的。为专业人员节省大量时间,使他们能够更快准确的组装硬件。

韦伯太空望远镜的运作就像是一支技艺精湛的管弦乐队,每个团队、每个队员都发挥着最佳专业水准,使用最好的乐器,奏响一首又一首激荡人心的交响乐曲。

探索未来技术:去往更远的宇宙空间,窥探更早的宇宙历史

使用衍射光学技术(薄膜型光学即时成像器(MOIRE))很可能是未来望远镜设计的一个方向。

MOIRE望远镜主镜的直径大约为100米,约有一个足球场那么大。展开时与后像一个旋转的披萨。这种反射镜是一种平面膜,表面有光衍射纳米结构或超材料特性,使其可以像反射曲面镜一样工作。该技术还可以较小规模用于手机摄像头、机器视觉系统、汽车雷达、军事和医疗光学等设备。

MOIRE望远镜上的次镜可能与韦伯望远镜的大小相似,但该次镜也是平面的。采用MOIRE技术的望远镜非常大,以至于这些反射镜必须安装在两个不同的航天器上。科学家们将采用激光对准技术将主镜和次镜对准,保持主镜和次镜在两个航天器上的运行一致。

这些巨大的望远镜的开发需要大约20年,且我们目前所掌握的技术还远远不够。而我们通过部署这些望远镜所取得的进步将对医疗、汽车、机器人、军事等各个行业产生影响。

因此,韦伯望远镜不仅带我们前往宇宙边缘,探秘宇宙的起源,让我们更好地了解生命本身,也在帮助我们创造一个无限可能的未来。这既是时间旅行,也激励着我们不断前行。虽然韦伯太空望远镜将我们带入一个新的太空探索时代,用更多的知识给我们以启迪,但为下一代建造太空望远镜也恰逢其时。换句话说,是时候重新起航,向更广阔的宇宙空间进发了!

责编: 爱集微

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