JWST：太空中的超级光学

JWST也就是詹姆斯韦伯空间望远镜，或者说鸽王，在前阵子成功发射，伴随也有一种鸽了很久带来的不真实感。对我来说，鸽王作为一个工作在红光到红外波长空间望远镜是拥有很多非常令人感叹的部分的。

鸽王最吸引我的倒不是到处都有说的展开机构，而是光学上实现大口径而做的镜面拼接或者说孔径合成。

说到孔径合成，首先要提到光学分辨率。在这样一个空间望远镜中，光学分辨率显然就是取决于衍射分辨率，毕竟这不是什么超大视场短焦距的摄影镜头而且是三片反射面的F20.2的系统。

鸽王在其中最大的主镜面选择了18块拼接的镜面，而显然你不能说，我拿镜面随便这么一拼，衍射就降低了。要将18片镜片拼接成一个完整镜面自然需要很高的精度，衍射是光波的性质，而保证的精度自然也是以波长为尺度的。多镜面的共相需要控制在一个波长以内，在这里，鸽王的最低光测波长是600nm，毕竟考虑到600nm意味着这一包含经典的Hα谱线的波长，这个波长的观测自然是十分重要的。如果以干涉的1/4波长估计自然这需要鸽王的主镜以150nm的误差拼接成一个完成的镜面。鸽王会在展开后检测波前，使用126个电机进行调整，虽然就只需要过一阵子调整一次保证图像锐度最佳。

除此之外，另外一个鸽王需要解决的问题是图像的稳定。就好像地面你自己架一个赤道仪望远镜进行较长时间曝光的深空摄影。对于你来说分辨率最大限制可能不是望远镜的口径甚至大气抖动，而是赤道仪的稳定程度，实际你的赤道仪很可能在直径接近1弧秒甚至远高于此的范围内抖动。所以存在这么一东西，称之为主动光学（active optical），往你的光路中塞一个平的镜片或者反射镜，然后通过实时获得像场一部分图片流，然后计算出结果进行修正或者说图像稳定，因为这套系统的采样频率操作频率都很高，所以可以实现一定程度的分辨率提升。

类似的，JWST也对自身的姿态稳定也不可能如此的稳定，所以还添加了一块反射镜做同样的方式，对图像进行稳定，保证JWST可以获得很暗的天体的图像的同时，保证图像的锐利。尽管这么说，人家也没说怎么做的实时图像流，应该还是弄了图像传感器截取一部分像场高帧率输出。

虽然鸽王的口径更大，但是就如同他金色的镜面一样，JWST本身就工作在长波长，所以在角分辨率上总体上反而不如HST。两者之间唯一的交集在经典的Hα波长和NIR波长，在这里JWST能够比HST分辨率更高。

另外一个可能你们都不会注意的部分，因为JWST并不是正圆形的主镜，加上固定副镜的衍射架也不是什么正十字，所以JWST的衍射光斑或者说星芒并不会是经典的十字型。大约制作一个JWST的孔径mask，就会看到照片上的星芒就会长大概这样。

JWST光学上在我看来是一个挑战，毕竟这是一个要飞到天上的多镜面拼接的光学系统。而且JWST可以帮助对很多相关的知识产生更加深刻的认识，当然这也就是说我还有跟多JWST的东西（