应用物理前沿推介系列No.8 | 韦伯近照赏析
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本期推介
韦伯近照赏析
詹姆斯·韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）已发射九个月有余，入轨后经半年多调试，七月份已正式开工，靓照不断，先看一张其在2022年9月27日发布的一张漩涡星系的照片（图1）：
图1 漩涡星系（spiral galaxy IC 5332）的照片
此星系直径约六万六千光年（略大于银河系），距地球约两千九百万光年。由于此星系平面几乎完美地正对地球，十分适合观察其对称的蜗旋结构。此照片由JWST的中红外相机（Mid-InfraRed Instrument，MIRI)在成像模式下拍摄。MIRI中使用的焦平面器件为硅掺砷器件，属杂质带光电导探测器，其工作温度仅为6K，响应波长覆盖约5-28微米，并可切换滤光轮上的九个窄带滤光片在5.6-25.5微米范围进行分谱成像，因此可对拍摄素材分别赋予不同颜色融合后形成假彩色照片，以适合人眼观赏，相当震撼。MIRI还具备日冕图和低分辨、中分辨等观测模式。
星系毕竟太遥远了离家近点吧，再看两张2022年9月21日发布的海王星照片。此照片由JWST的近红外相机（Near-InfraRed Camera，NIRCam）拍摄，图2a约一千六百万像素，图2b第二张为其局部，约一百万像素。NIRCam中使用的焦平面器件为碲镉汞器件，工作温度为39K，响应波长约覆盖0.6-5微米，用滤光片按0.6-2.3微米和2.4-5微米分成两个通道成像，还具有其它四种观测模式。此照片应是有史以来海王星这颗冰巨星的最清晰照片了，相当魔幻，其较窄的行星环清晰可见，较弱的尘埃带也能看到。海王星的16颗已知“月亮”中此张照片上可看到7颗，包括拍出巨大星芒的海卫一（海卫一特里同Triton，是海王波塞冬和海后安菲特里忒的儿子，具有人鱼形象）。海卫一的大小与冥王星相当；由于冥王星已被开除，海王星已在太阳系的最外圈了。西方对行星都是用希腊神话人物命名的，彼此间还有亲缘关系；东方在金、木、水、火、土之后也都沿用西方名称了。
图2 (a)海王星照片（一千六百万像素拍摄），(b) 局部放大（约一百万像素拍摄）。
JWST的另一功能是拍摄天体的光谱。图3是2022年8月25日发布的太阳系外行星（WASP-39b）的光谱，由JWST的近红外摄谱仪（Near InfraRed Spectrograph, NIRSpec）拍摄。WASP-39b是一颗富含水的系外行星，距离地球约750光年。由此光谱可见其在约4.3微米附近存在二氧化碳的强吸收，由此确认了其大气中也存在二氧化碳。这样的系外行星二氧化碳光谱是从地球上从未测到的，对类地行星探测很有帮助。NIRSpec中的焦平面器件为与NIRCam中相同的碲镉汞器件，工作温度为36K，响应波长覆盖约0.6-5微米范围。
图3 太阳系外行星（WASP-39b）的光谱
中红外相机MIRI、近红外相机NIRCam和近红外摄谱仪NIRSpec是JWST的主要观测设备，此外还有近红外图像与无缝摄谱仪（Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph，NIRISS）和精细导星传感器（Fine Guide Sensor，FGS），用于精细摄谱和拍照时的精密对准稳定伺服等。这些设备都靠JWST发射展开后“直径”为6.5米的主反射镜工作，主反射镜张开后有点像微波天线，但JWST实际是红外波段的反射式光学望远镜，其主反射镜是曲率半径约3米的凹面会聚镜，由18面对边距离为1.3米的正六边形凹面子反射镜拼接而成，整体也呈六边形状。拼满六边形的主反射镜应该要用到19面子镜，但正中间那块子镜的位置空了出来用于安装前述各种观测载荷。JWST的红外主反射镜直径已达哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST)的两倍以上，受光面积超过五倍,因此性能上有显著提高。为减轻重量，这些子镜都是由金属铍制成的，厚度约5厘米,为减重制成蛋架型结构，包括其他结构件。每面子镜既可受控进行较大范围的调整，又可作纳米尺度的微小位移，方便校准光路。铍是元素周期表中的第4号元素，比重很小，又有很高的刚性和足够的强度，且可耐极低温不易形变。子镜加工出曲面后经精密磨抛镀上金，黄澄澄的煞是漂亮。即使如此，JWST的总重量也达6.2吨，但仅约是使用单块玻璃结构镀金反射镜的哈勃的一半。
JWST发射后定位于日地第二拉格朗日点L2上，距地球约150万公里，实际是绕太阳而非地球运转，在日地外侧与地球成一直线。L2是日地引力平衡的亚稳定点，既易于轨道维持；又位于地球背面远离太阳，可减小其加热作用利于设备降温，还可减小太阳对观测的干扰。此轨道远高于哈勃的570公里，实际是无法像哈勃那样做后续升级和维修的，因此是一锤子买卖。
JWST的5台载荷中共使用了18只焦平面器件，具体包括：
表1 JWST所使用的焦平面器件
载荷未动,器件先行,这些焦平面说起来也都是20年前研发的器件了。NIRCam的短波侧使用了8只规模为2 K×2 K的Hawaii-2RG焦平面器件，处于测试杜瓦中的照片如图4所示。其单个器件的光敏面（照片中紫色区域）的尺幅达到了36×36mm2,已超过全画幅单反相机中成像器件的尺寸。
图4 Hawaii-2RG焦平面器件照片
这个方形焦平面器件只是由单边引出连线等，其它三边都是紧靠边缘的，这样就可以用多个器件拼接起来构成更大的尺幅，例如构成2×2或2×N的组件。实际上NIRCam的短波侧就使用了两个2×2的组件，单个组件的像素规模达到了4 K×4 K，约一千六百万像素，以获得更大的视场，拼接后的照片如图5所示。这两个组件还可同时对相邻的天区成像获得更大的视场，也可互为备份。Hawaii-2RG器件是在前期哈勃的Hawaii-1RG 1 K×1 K器件的基础上发展的，截止波长更长，性能上也显著提高，实属不易。NASA发展器件的策略是尽量减小品种，成熟一代就在各种航天载荷乃至民用领域充分利用以实现效益最大化。例如，其H1RG 1 K×1 K器件就不仅用于哈勃，还用在了同期的二氧化碳监测卫星等多种载荷上，且至今仍在应用。二氧化碳监测卫星实际只需使用线列器件，甚至也无需1 K规模，但直接使用H1RG不仅可增加冗余，也可附加更多功能，更重要的是无需单独研制而直接使用经充分考核的成熟器件，规避了新品种航天器件的极高研制成本和时间，值得借鉴。
图5 NIRCam的短波侧使用的2×2拼接组件
WST自1996年招标立项，原计划2007年发射，历经十余次延期改进，投资追加至上百亿美元，至2021年底总算成功发射，前后经历了四分之一个世纪。科研人员赓续初心，砥砺求精，将这个一次成功率不高的项目终于做成，功德圆满，确实值得点赞。希望JWST探索不辍，靓照不断，延年益寿，后继有人。
（相关资料主要来自NASA网站，https://jwst.nasa.gov/）
推介人
李雪 中国科学院上海技术物理研究所，研究员。长期从事航天遥感用新型短波红外焦平面探测器组件以及红外组件集成技术研究，解决了器件量子效率、暗电流、有效像元率、噪声以及组件MTF等关键技术。
张永刚 中国科学院上海微系统与信息技术研究所，研究员。从事化合物半导体光电子材料、器件及其应用研究。
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
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