詹姆斯韋伯在未來如何執行科學觀測任務？它由哪些科學設備組成？

JWST（詹姆斯韋伯太空望遠鏡）科學科學設備設備由四個儀器組成，它們在從光學到中紅外（0.6-28.3微米）的寬波長範圍內進行觀測，首先爲大家介紹的是中紅外儀器

中紅外儀器MIRI爲JWST提供了4.9至28.8μm的中紅外波長的範圍觀測能力。可通過窄、中、寬濾波器獲得天體成像。光譜可以通過低光譜分辨率模式獲得，該模式包括分切和無分切兩個選擇，屆時就需要看科學家的數據和任務需求了，還可以使用中等分辨率的積分場單元。MIRI還包含Lyot和4象限相位日冕儀，它們都是針對中紅外光譜區域進行優化的。MIRI是歐洲聯盟和噴氣推進實驗室JPL合作開發的。歐洲MIRI的主要研究者是英國Gillian Wright天文中心，美國主要研究者是University of Arizona的George Rieke。MIRI項目的科學家是UKTC的Alistair Glasse和JPL的Michael Ressler。

接下來爲大家介紹的是近紅外攝像機，近紅外攝像機（NIRCAM）是JWST的主成像儀，其波長範圍爲0.6至5μm。它由兩個幾乎相同、完全冗餘的光學模塊組成，它們可以觀測天空的相鄰區域，可以同時使用。每個模塊還可以使用二色性短波長通道（0.6–2.3μm）和長波長通道（2.4–5.0μm）進行同時觀察。

NIRCAM除了具有寬範圍的窄、中、寬濾光片成像外，還提供寬場無縫（GRISM）光譜和日冕成像模式，以及用於高精度光度監測和分光光度監測的時間序列和GRISM時間序列觀測模式。NIRCAM還獲得了對JWST主鏡段週期性對準和相位調整至關重要的波前傳感測量。NIRCAM是由亞利桑那大學和洛克希德馬丁公司的高級技術中心的一個團隊建造的，由亞利桑那大學的首席研究員馬西婭·裏克領導。

NIRCAM成像覆蓋了兩個總面積爲9.7arcmin²的相鄰區域。同時觀察到長波長和短波長。由於PSF尺寸的變化，短波長在每個模塊中使用四個探測器，而長波長由一個探測器覆蓋。

NIRISS是加拿大航天局對JWST項目的重要貢獻之一。霍尼韋爾國際公司與首席研究員、蒙特利爾大學的Ren Doyon領導的團隊合作設計並製造了該儀器。加拿大赫茨堡天文學和天體物理學研究中心國家研究委員會提供了額外的技術支持。

重力透鏡團簇MACS J0416.1-2403的近紅外光譜寬場無縫光譜模擬。左：圖像通過F200W濾波器。中間和右邊：通過F200W濾波器的無縫隙光譜，使用了GR150R GRISM和GR150C GRISM兩個光片成像。

下一個科學設備JWST的近紅外光譜儀NIRSpec，NIRSpec是一種多功能的光譜儀器，工作波長範圍爲0.6至5.3μm。NIRSpec通過固定狹縫、空間解析分場，單位光譜以及使用微型快門組件的強大多目標光譜模式提供高觀測吞吐量。NIRSpec還具有明亮的目標時間序列模式，通過一個大孔徑，爲天文界提供高吞吐量/高精度的分光光度監測能力。

NIRSpec是由空中客車工業爲歐洲航天局建造的，NASA製造的微型快門陣列（MSA）和探測器子系統。NIRSpec MOS模式光譜的一個功能是使用校準平場燈，提供均勻照明，以及使用G140M+F100LP光譜配置的MSA快門狹縫。固定狹縫的光譜顯示在中心。打開失敗的MSA快門顯示爲單快門光譜（右邊突出明顯，上圖展示）。

NIRCAM有兩個模塊，每個模塊的視野爲2.2x2.2弧分。在每個模塊內，用二向色分裂光，發送到短波長（0.6-2.3μm）和長波長（2.4-5μm）通道，同時進行觀察。短波長通道的標度爲每像素0.032，科學家對PSF進行了2微米的採樣，長波長通道的像素比例爲0.065，每個通道都有一系列寬、中、窄帶濾波器。

NIRISS的成像範圍爲0.8至5μm，視野爲2.2x2.2弧分。它使用來自NIRCAM的備用濾波器組，每個像素的像素比例爲0.065“，與NIRCAM長波通道的採樣相匹配。一般來說，近紅外攝像機是用JWST進行近紅外成像的首選攝像機，因爲它的視野是近紅外成像的兩倍，同時獲得“藍色”和“紅色”圖像。NIRISS與NIRCAM並行使用，可以潛在地增加這些波長的天空覆蓋率。

MIRI在74x113弧秒的視場上提供5到27μm的寬帶（R~5）成像，像素比例爲0.11。

NIRISS可以使用孔徑掩模干涉法，NIRISS模塊上的7孔非冗餘掩模提供干涉高分辨率成像，從3-5μm開始。第一個面板顯示瞳孔掩模，中間面板顯示模擬圖像，最後一個面板顯示傅立葉空間中點擴散函數的功率譜。

通過使用非冗餘孔徑掩模（NRM），NIRISS提供了JWST的最高分辨率的成像。該掩模將望遠鏡的全孔徑轉變爲一個智能陣列，使得每個基線（即連接兩個孔中心的矢量）都是唯一的，並在圖像平面上形成具有唯一空間頻率的條紋。這種觀測能力對於明亮恆星周圍光源的高對比成像以及測量星系核和星團的結構性質特別有用。NRM設計用於檢測由0.1-0.5分隔的點光源，亮度（對比度）比小於10.5。最長基線提供的分辨率在4.6μm時爲~0.075。NRM針對通過3.5-5μm的三個中頻濾波器進行的觀測進行了優化，可以通過2.8μm的寬帶濾波器進行觀測。

NIRSpec的寬視場模式包括約250000個微型組件MSA，可打開或關閉該組件，以允許在3.2 x 3.3弧分的視場上同時觀測100多個光源。視場中的目標通常通過打開MSA中的百葉窗組來選擇，以形成多個光圈。微型百葉窗結構被佈置成類似華夫格的網格樣式，每個單元在天空上以0.2”（分散）x 0.46”（空間）的角度投影。磁鐵掃過MSA表面就可以打開所有可操作的百葉窗結構。個別百葉窗結構可通過電子方式尋址和關閉。

MIRI使用四個圖像切片器在兩個1024x1024像素探測器上生成天空的分散圖像，以在其整個波長範圍內提供R~3000光譜。每個IFU通道的光譜窗口用三個單獨的光柵覆蓋。IFU採用不同的像素尺度設計，在每個光譜窗口的中心波長處提供PSF的最佳採樣。因此，通道的視場是不同的，從3.6英寸x3.6英寸到7.6英寸x7.6英寸不等，隨着波長的增加，切片數量從30個減少到12個。

JWST爲觀察單個目標提供了多種選擇。其中一些模式用於明亮的目標（例如外行星光譜），但所有模式都可用於觀測任何天文目標。爲了避免在讀取全幀所需的時間內飽和，可以使用僅使用探測器子陣列的快速讀出模式。

NIRSpec通過0.2 x 3.3、0.4 x 3.8和1.6 x 1.6弧的固定狹縫提供了所有三種光譜分辨率（R~1001000和2700）的觀測結果。這些永久開放的狹縫孔主要用於對單個目標的高動態範圍觀測。

NIRISS單目標無縫光譜學SOSS模式專門針對亮星光譜學進行了優化。光學設計使明亮目標的光線散焦，並將其分散成三個階數，以便在不使探測器飽和的情況下進行觀測。該模式提供了從0.6到2.5μm的R=750光譜分辨率。

MIRI低分辨率光譜儀LRS提供了從5μm到12μm的R~100長狹縫和無縫光譜，並對緊湊型光源的觀測進行了優化。狹縫模式提供了5.5英寸長和0.6英寸寬的入口孔徑，而無狹縫模式提供了非常精確的時間序列觀測分光光度法。

剛剛我們說完了JWST的相關科學設備，現在我們可以說一說，科學家如何把這些科學設備總和在一起，並達到使用的目的。

其實JWST有兩個明顯的熱區：太陽面300 K熱邊和40K冷麪。宇宙飛船的公共汽車位於熱邊。冷熱面由遮陽罩隔開，從太陽光能源中收取超過200000瓦的輻射能，只向OTE和ISIM傳輸約1W。通過將太陽的能量輻射到太空，防曬保護措施可以讓OTE和ISIM被動地冷卻到低溫下，而不用消耗掉冷凍劑。展示了由遮陽罩與40K光學望遠鏡元件(OTE)和集成科學儀器模塊(ISIM)隔開的300 K航天器總線。

JWST航天器總線提供電力，通信，姿態控制，熱控制，監測和安全功能，指揮和數據處理，通信服務，以及軌道插入、軌道維護和推進。接下來我們說到一個非常重要的設備，那就是遮陽罩。

接下來我們說到了遮陽罩，遮陽罩冷卻的方式是由五層網球場大小的特殊材料網罩進行的，其目的是將望遠鏡和科學儀器與太陽、地球、月球和JWST航天器的能量隔離開來。

遮陽罩是由五層鋁包覆的聚酰亞胺薄膜組成的鑽石塊狀系統，稱爲卡普頓(Kapton)。每一層的尺寸約爲21米長，14米寬。每一層連續的遮陽層都比下面的層要涼爽。因爲熱量會從層間散發出來。

週期性波前控制傳感WS&C將使主鏡區域保持對齊和相位，從而使它們的波正確匹配，並且這些波前段就是一個大望遠鏡，而不是18個單獨的望遠鏡。

發射後的望遠鏡調試過程將在幾個月內進行，也就是幾個階段的迭代傳感和對準校正，以建立最初的在軌校準。在科學操作過程中的常規監測觀察和偶爾的校準將隨後保持主鏡的位置。

由於太空空間環境的特殊情況，JWST的波前傳感系統結構不同於地面大型望遠鏡。最重要的是，JWST沒有受到大氣擾動和重力影響，這些都是地球上的望遠鏡需要快速校準的主要因素。相反，JWST只需要對波前像差進行校正，這些像差的變化要比典型科學觀測的持續時間慢得多。

在JWST調試期間，所有儀器都將用於一部分波前傳感器，但NIRCAM是JWST的主要波前傳感器，其模塊輪中包含多個用於測量波前信息的部件。由於其對整個天文臺運行的重要性，NIRCAM由兩個完全冗餘的模塊組成的。弱透鏡在近紅外濾光片輪上散焦，提供波前信息。利用下行鏈路圖像數據在地面上對波前誤差進行分析和確定，然後將必要的鏡像命令上行鏈路到JWST，以校正對準。

每個主鏡段的背面都有執行器，可以提供六個自由度，並控制曲率半徑。副鏡也控制在六個自由度。因此，望遠鏡總有132度的自由度需要校準，加上除了MIRI以外的每個科學儀器的聚焦機制。在地面天文臺裝配過程中，已經建立了第三和精細轉向鏡等其他對準裝置，這些裝置足夠堅固，發射後不需要校正。

在2021年3月JWST發射和部署後，主鏡段、副鏡和科學儀器之間的相對偏差將只有幾毫米。使用幾種類型的波前傳感和控制的迭代過程將使這些反射鏡在數十納米範圍內對準。大動態範圍（毫米到納米）意味着需要幾個不同的階段和類型的傳感。由於傳感精度有限，而且粗級執行機構設計固有的機構不確定性，因此調試過程必須重複進行。所以光學望遠鏡元件OTE調試將在兩個小規模和更大規模上進行迭代。

副後視鏡的展開、主後視鏡的三個摺疊後視鏡側斷面以及從其發射約束裝置開始的段的初步展開將在發射後約16天開始。一旦望遠鏡和儀器充分冷卻到其工作溫度（預計發射後40天左右），波前傳感和校正過程將開始。這一階段將分散各個波前傳感和控制任務，主要階段有：（1）分段定位和識別；（2）分段級波前控制；（3）分段同相；（4）多儀器傳感和控制。這一過程預計需要幾個月的時間，包括六個月調試階段的大部分時間。由於NIRCAM是主要的波前傳感傳感器，因此在望遠鏡調試的一半時間內，將首先在NIRCAM上獲得高質量的圖像，然後再使用其他任何儀器。然後，多儀器感應過程調整次鏡對齊，以優化整個儀器套件的圖像質量。

在常規科學觀測的過程中，將定期監測波前，並根據需要進行對準校正。名義上，波陣面每兩天測量一次，使用近紅外弱透鏡。預計更正的頻率相對較低，每年可能只有少數幾次。傳感和控制過程將佔用天文臺時間的1%-2%，這是天文臺校準開銷的一部分。

傳感和控制測量的頻率可在後續階段根據飛行中獲得的性能進行調整。這將作爲制定每個週期校準計劃的一部分，與儀器校準計劃一起進行。在科學觀測中還需要爲期兩天的傳感間隔公差測算，目的是安排波前傳感觀測，以適應任何時間臨界觀測。不過需要注意的是，校正的目的是爲了保持望遠鏡的對準，而不是有意改變它。也就是說，糾正的效果應該是使OTE恢復到其在調試期結束時的校準狀態，並確保其持續保持在該狀態附近。

剛纔我們說到JWST望遠鏡的動量由姿態控制系統進行預測和實時管理，使天文臺始終處於控制之下。在科學觀察過程中，太陽光子壓力導致反作用輪內形成角動量。這種角動量必須通過發射推進器定期釋放。動力是如何行形成的呢？在科學觀測期間，天文臺將指向一個目標，在這個方向上，太陽防護罩的壓力中心不與天文臺的質量中心對齊。當太陽光子擊中大的太陽護盾時，它們會在整個天文臺上施加一個力矩。特性控制子系統ACS通過適當地改變反作用輪上的旋轉速率來抵消該扭矩，其結果是反作用輪中積累了角動量。動量積累取決於太陽的俯仰角、望遠鏡的滾轉方向以及在特定指向位置的觀測持續時間。反作用輪的角動量旋轉率必須控制在操作極限內。

由於一個或多個反作用輪因飽和而失去指向控制可能危及整個天文臺，因此ACS內置了一個重要的保護措施。由於JWST操作是事件驅動的，因此實際的活動順序可能與計劃的不同。例如，如果在一次觀測中導航星採集失敗，則該觀測將被丟棄，望遠鏡將繼續進行下一次計劃觀測。這顯然會使實際的動量分佈與計劃的不同。

在開始每次訪問之前，車載操作系統會檢查當前的動量狀態。如果認爲動量狀態不足以安全完成訪問，它將自動請求在訪問開始前執行動量調整。

接下來我們下次說到了下一個比較重要的地方，它就是綜合科學儀器模塊（ISIM）是包含四種科學儀器和精細制導傳感器（FGS）的觀測元件。它還包含電子設備（1）控制儀器探測器和機制，（2）維護熱環境，（3）爲科學儀器和FGS提供命令和數據處理。

ISIM指揮和數據處理ICDH子系統爲所有科學儀器提供指揮、遙測路由和處理功能。ICDH對科學數據進行讀出模式處理，即在傳輸到航天器固態記錄器之前，對每次曝光的科學數據進行格式化。駐留在ICDH上的軟件分析部分數據，以便進行目標捕獲。

JWST上的固態記錄器（SSR）可容納至少58.8GB的記錄科學數據。在正常的科學操作過程中，JWST將以每天兩次，間隔12小時的時間段爲地球傳輸數據。在一次數據傳輸過程中，JWST可以傳輸至少28.6 GB的科學數據。如果錯過了一個接觸點，科學觀察可以繼續進行而不需要重置或者重新開始，地面接收天文臺也可以趕上下一個接觸點。

科學數據寫入SSR的速率由ISIM命令和數據處理子系統ICDH控制。最大ICDH持續數據速率約爲每秒48 Mbits，這相當於每10.5s可以讀寫大約6個2048×2048全幀圖像文件。實際數據速率取決於同時使用的探測器數量、它們的曝光參數以及曝光讀數何時到達ICDH的精確時間。任何時候使用的探測器的數量都可能高達14個。

爲了防止數據包丟失或損壞，APT模板設置了正在使用的檢測器的數量和生成數據的速率。例如，在NIRCAM快速讀出模式中，只有一個NIRCAM模塊（五個2K×2K探測器）可以與ngroups=1一起使用。要在快速讀出模式下使用兩個模塊（10個2K×2K探測器），需要nGroups數值等於2。使用多個儀器的組合必須保持在48 Mbps的限制範圍內。

JWST的精細制導傳感器（FGS）利用JWST平面中的導航星，爲JWST提供固定精細的角度姿態。JWST的精細制導傳感器FGS是一種近紅外NIR攝像機，位於綜合科學儀器模塊ISIM中。它具有0.6到5.0μm的通帶，類似於近紅外科學儀器。FGS有兩個通道，每個通道有2.3′×2.3′視場FOV。