韋伯望遠鏡如何形成禿子般的完美鏡子

經過一個半月（本文發佈時間爲四月）的精細相位調整，詹姆斯韋伯太空望遠鏡，將最初是18個隨機排列的星光點組成的拼接圖像，首次合成出在其背景上有數千中遙遠星系的中心明亮恆星

如果這還不夠酷，我們還看到了韋伯主鏡被來自恆星的光照亮的首張 “ 自拍 ” 圖像，好吧，我不得不承認,當我第一次看到這張圖片的時候，我有一些複雜的感覺，因爲，我剛剛完成了一個鏡子如何分段對齊的視頻，就在我將點擊發布按鈕之前，NASA發佈了他們的更新。

讓我感覺有點肝痛，但是沒關係，這是一個驚人的圖像！這不是韋伯拍攝的最漂亮的圖像，也不是最有趣的圖像。但他是單臺望遠鏡拍攝的最高分辨率的紅外圖象，他當然並非耳熟能詳的星名，因爲他，比肉眼看到的要暗約一百倍。

他是因其亮度大和與其他恆星相對孤立而被選中的幾顆恆星之一。這張照片是在其，中紅外儀器相機在兩微米波長下拍攝的，這超出了可見光的範圍，因此光學工程師使用紅色濾鏡優化視覺對比度。首先注意到它帶芒的衍射十字

 光波穿過透鏡時發生衍射。當這種情況發生時，波會互相干擾並，在相互抵消和放大之間反覆橫跳

在大多數望遠鏡中，光線通常會在次鏡的扁平支撐柱周圍發生衍射。每個支柱的平邊，形成一個與之垂直的衍射尖峯，大多數像哈勃望遠鏡都使用四個支柱作爲其副鏡，因此它們會在焦點處產生四個互相重疊的尖峯，結果就是美麗的 伯利恆之星 的效果。

由於韋伯的輔助支柱只有三個支撐支柱，因此當它們集中在一起時會形成六個尖峯。但韋伯的鏡子是由18個六邊形組成的陣列，每個六邊形都有六個平邊。因此，每個部分都會產生自己的六個衍射尖峯，並且它們都會在交點處匯聚在一起。請注意在此圖中，主鏡支撐結構的六個原始尖峯仍然可見，因爲支柱互成120度。韋伯設計師通過重新定位底部的兩個支柱，使其與底部六邊形的平邊平行，從而在一定程度上客服了這個問題。使得四個尖與衍射圖案的其餘部分重疊，

最後結果上講，是一顆八角星

它的水平尖峯由頂部支撐杆引起。雖然尖峯很漂亮，但真正讓天文物理學界興奮的是那些散佈的背景星系，我們從未紅外波長看到如此高分辨率的星系！不幸的是，物理學上沒有辦法擺脫那些衍射尖峯，不過只有在對相對極明亮的緊湊目標如恆星進行成像時，它們纔會變得引人注目。在目標中，韋伯不會被用來直接成像這樣的明亮恆星，但這張照片確實表明韋伯的鏡子現在一直拼合達到繞射極限，這也證實韋伯精確對齊的程度已達物理極限，現在，從某種意義上說這可能是韋伯在技術上製作的最清晰的圖像，那是因爲光學團隊仍然需要在整個儀器的視野中重新分配一點焦點。但是我們稍後會討論它的含義

現在讓我們談談光學團隊如何將18個模糊亮點聚焦成一個恆星這個過程始於2月初，當時望遠鏡對準大熊座中的恆星HD 84406，這將是韋伯計劃用來分段分段的一系列星系中的第一個，像凱克這樣的地面望遠鏡使用一種稱爲波前傳感器的專用儀器，它專爲測量和校正其鏡段而設計，但是韋伯上的內部空間常寶貴，因此它的近紅外相機，或中紅外相機，旨在兼作韋伯的波前傳感器。正如預期的那樣，NIRCam（中紅外相機）找到了18張恆星的圖像，因爲韋伯的18個鏡片還沒有對齊，每個部分都由一個六足促動電機支持，以及一個可以改變曲率半徑的中央執行器。這使得每個鏡子都可以根據需要5軸轉動，甚至可以稍微改變它的形狀，直到都形成一個單片鏡子。

但是，在移動它們之前，團隊希望確保在初期部署期間，沒有任何異常需要在校準之前需要調整。所以NIRCam對韋伯的主鏡進行了 “自拍 "，它使用一種被稱爲瞳孔成像透鏡來做到這一點它的工作原理是在圖像，到達檢測器之前將圖像聚焦。這會導致光線以這樣 

方式擴散，從而形成入瞳，而不是恆星的圖像，你也可以在後院的望遠鏡中自己看到這種效果，您只需要將星星一直失焦，直到可以看到主鏡和副鏡的輪廓，那是望遠鏡的入射光瞳。第一張瞳孔圖像是在2月11日拍攝的，當時其中一個部分未被點亮，因爲那是瞄準星星的鏡子.

下一步是確定這18個斑點中的哪些，是由哪個鏡子製成的。這是通過傾斜鏡子來完成的，接下來，將圖像對位到六邊形陣列中，這爲波前傳感團隊提供了一種直觀的方式來可視化這些鏡像片段，因爲它們被輕微對齊。對於隨後的步驟，韋伯會進行一些調整，將微小的抖動引入望遠鏡因此，精細引導傳感器上線以鎖定其視野中的一張圖像。現在，精細導向傳感器實際上並沒有可能到我們在此處看到的任何一張圖像，因爲該圖像是由NIRCam拍攝的。

精細導向傳感器和其它儀器各自觀察視野的不同部分。但是六邊形圖案到處都可以複製，因此精細導向傳感器指定了其領域中更清晰的圖像之一來鎖定。這反過來又讓韋伯的精細導向傳感器能夠保持圖像良好而穩定。

下一步是使陣列中的每個圖像儘可能清晰.而這是通過將次鏡向後移動約400微米來使望遠鏡失焦來實現的，通過相位檢索分析圖像，以計算出這些鏡子的不對齊程度，然後調整這些鏡子並使第二個鏡子重新聚焦。現在有18個清晰的圖像，下一步是將它們堆疊在中心。這似乎很容易，但實際上是一個非常棘手的過程，因爲圖像需要堆疊到光波長度的一小部分，否則，無法進行單個鏡子所需的精細對齊。因此，韋伯的圖像被堆疊成一組，每組六個部分，在初始堆疊結束時，圖像看起來更像一顆星星，然而，這些部分仍像18個獨立的望遠鏡一樣工作，因爲它們還沒有很好地對齊。爲了使該部分充當單個鏡子，它們需要在小於光波長度範圍內對齊。現在，這是一個稱爲分段對齊的過程，對齊在粗相位和精細相位兩個主要步驟中完成。在粗相位期間，目標是減少分段之間的所謂 ” 活塞誤差 “。爲了測量活塞誤

一種稱爲哈特曼波前傳感器的特殊面罩在瞳孔上放置了一些列狹縫，每個狹縫跨越一對分段反射鏡。活塞誤差是使用一種，稱爲 色散條紋法 技術來測量的。它是這樣工作的：來自兩個部分的光被分散到同一個光譜範圍中。如果段之間的活塞誤差很大，則頻譜出現 ”理髮杆 “條紋圖案。通過測量邊緣的角度，可以非常準確地確定活塞誤差。隨着活塞的調整，理髮杆變平。在第一輪粗調相位之後，拍攝第二張瞳孔圖像，以檢查對齊情況。現在所有的18個鏡面都被光源照亮了，圖像甚至看起來都不真實，它看起來像一幅畫！

但是如果你仔細觀察，你會發現這或那仍然有一些模糊的地方，那是因爲這些部分仍然偏離了幾微米，幾微米就是幾百萬米。但同樣，爲了達到預期的性能，鏡子需要在幾納米或一納米範圍內對齊，另一件需要考慮的事情是，次子的焦點設置在，視野中第一張圖像的形成位置。爲了測量周圍場的誤差，片段圖像被重新排列成一個較小的陣列版本。然後將這個小陣列，移動到NIRCam視野的不同部分，然後，在這些位置測量圖案的相對質心。然後使用這些測量結果來，確定需要進行哪些調整來校正次鏡。順便說一句，您可能已經注意到，在這個較小的數組中有一個圖像被故意遺漏

這就是精細導向傳感器在其視野中鎖定一個孤立的圖像的原因，在此過程結束時，次鏡會對齊並聚焦。現在，已經爲精細相位準備了舞臺。在精細相位期間，必須再次計較圖像以測量和糾正任何對齊錯誤，但這一次，NIRCam並沒有通過移動次鏡使整個望遠鏡失焦，而是在其瞳孔和濾光輪中使用了一組弱，以非常特定的量使星光略微散焦，然後相位檢索算法分析圖像並準確計算出仍然存在的相位誤差。這一次通過進行微小的傾斜和調整，而不是活塞調整來糾正分段。

在對分段進行校正後，第二輪粗定向以進一步減少任何活塞誤差，然後再進行粗細定相，隨着每一輪的調整，引導星的點擴散函數會變得越來越緊湊，因爲分段的調整量越來越小。在最後階段這些片段僅移動了幾納米。這只是人類頭髮絲寬度的萬分之一！結果是韋伯的衍射極限至少是NIRcam的極限衍射。望遠鏡但是現在需要檢查其他儀器的對齊情況，因爲它們正在查看視野的不同部分。此步驟稱爲 多儀器對準，韋伯通過再每個儀器的視野中拍攝五張散焦的恆星圖像來做到這一點。這一次，通過將次鏡移動100微米，圖像過於聚焦(失焦）。相位檢索算法確定需要對分段和輔助進行校正剩下的整個鏡子，這些調整將有效地將NIRCam的一些完美焦點重新分配整個視野中。

因此，從技術上講，NIRcam將比這張圖像中實現的焦點略微縮小。但它絕不會減少到影響科學性，更不用說足以引起注意

現在多儀器的校準工作，大約需要一個月的時間才能完成。同時，儀器繼續冷卻 到其工作溫度，然後將最終進入調試階段，然後正式工作！現在讓我聲明，這只是讓webb焦點對準所需步驟的高度簡化，團隊花了20年的大部分時間才弄清楚如何做到這一

但在光學上，望遠鏡現在的表現比他們的模型預測的要好！但即使在webb完全投入使用後，他也可能會時不時得偏離軌道那是因爲望遠鏡結構將繼續新得緩慢排氣，這將在鏡子的排列中引入非常小的變化，這就是爲什麼每兩天進行一次精細相位測量並進行分析，以跟蹤望遠鏡隨時間的對準情況，可能需要每兩週左右進行一次小調整。

關於這種維護方法，有一點很明確，它確實想強調，一旦您完成了所有任務，進行頻繁而微小的調整，以使其保持運行比等到事情,得非常糟糕並重新開始要容易得多。我知道說起來容易做起來難，但好消息是你可以掌握這項技能。

 原視頻：https://www.youtube.com/watch?v=cWXTy_GeCis&t=765s

翻譯：NO坤

配圖：NO坤

責編：NO坤

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