NASA 的詹姆斯·韦伯望远镜即将到达一个非凡的空间点

望远镜将漂浮在地球和太阳之间的引力临界点。
The JWST rocket launch.
2021年12月发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。NASA/Bill Ingalls

詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)正接近它的新家。1月24日,它将到达一个科学家称之为拉格朗日点2,或L2的点。

这是引力平衡点的技术名称。JWST将前往地球-太阳系中的一个引力点,在那里,地球的引力会与太阳更强的引力完美平衡。JWST的设计者计划让望远镜漂浮到那里,因为在那里,望远镜可以在不受引力干扰的情况下工作。

“我们知道我们需要让JWST停留在L2,”NASA的JWST行星科学家Stefanie Milam说。

每一对引力束缚的天体——比如一个太阳和它的行星,或者一个行星和它的一个卫星——都有五个拉格朗日点。例如,小行星或航天器可以停留在这些点中的一个,而不会脱离轨道。

1765年,数学家Leonhard Euler通过引力方程计算出了前三个点。这三个点——L1、L2和L3——形成一条直线。以地球和太阳为例。L1位于地球和太阳之间:更确切地说,距离地球约93万英里(150万公里)。L2位于地球的另一侧:距离我们大约93万英里,面向太阳系的外部。 

在欧拉之后几年,1772年,他的一位密切的通信者——另一位名叫Joseph-Louis Lagrange的数学家——重新审视了这些方程,并意识到还存在另外两个点:L4和L5。它们位于地球的轨道上,L4在我们前面一点,L5在我们后面一点。

L4和L5比其他点更稳定——它们可以吸引气体、尘埃甚至更大的物体。天文学家已经在太阳和地球的L4和L5处发现了至少两颗小行星,并且还在寻找更多。其他太阳-行星系也在这些点捕获了物体。太阳和木星的L4和L5点是被称为特洛伊小行星的整个群落的所在地,NASA的Lucy探测器将访问那里。

L3是一个奇怪的点,没有对应的点。要找到它,你需要一直走到太阳的另一侧,接近我们轨道的对面点(但由于地球的引力对太阳有微弱的拉力,所以并不完全是绝对的对面点)。可以预见的是,航天器很难轻松到达那里;没有任何已知的航天器曾经将L3作为自己的家。

但L1和L2对我们来说更容易到达,距离地球到月球的距离不到四倍。L1,朝向太阳的地点,一直是观测太阳或其太阳风粒子流的探测器的理想场所——或者说空间。

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而L2则位于地球的阴影中。这个位置非常适合那些观测太阳系之外广阔宇宙的航天器。目前,欧洲航天局的盖亚(Gaia)号,它正在测量恒星的距离,以及X射线天文台Spektr-RG,都栖息在那里。1月24日,JWST将加入它们的行列。 

从JWST几十年前开始规划的那一刻起,它的设计者和规划者就决定L2是它的理想位置。JWST是一台红外望远镜。热量也是红外线,所以处于地球轨道上——并且需要不断地进入阳光照射——并不是理想的。即使是我们自己的行星发出的热量也可能干扰望远镜极其精密的观测。

Milam说:“来自地球或月球的任何热量都是我们需要对抗的,而我们正试图探测宇宙中最微弱的星系和恒星信号。”

将JWST放置在远离地球的L2,可以避免这个问题。同时,处于地球的阴影中意味着望远镜可以使用遮阳罩,而不是像哈勃空间望远镜那样被包裹在管子里。这是JWST能够使用其庞大镜子的原因之一。

Milam说,在L2还有其他优势。例如,远离地球的轨道意味着可以避开其他航天器,以及大部分可能撞击望远镜并损坏它的太空垃圾

但是有一个缺点。JWST离地球太远,无法轻松进行维护。这与哈勃不同,哈勃位于地球轨道上,NASA可以轻松对其进行维修,包括其著名的镜面修复

JWST不会固定在L2的位置,而是在其周围的精细调整轨道上运行。它的轨道也不会完全稳定。太阳辐射推向遮阳罩的推力会轻轻地将JWST推离原位。Milam说,在那里,“与哈勃不同,我们没有地球的引力来帮助我们”控制航天器的动量。

因此,JWST需要不断调整才能保持在原位。Milam说,JWST的操作人员将在未来几个月内摸索如何进行这些调整。在望远镜于周一就位后,他们将开始检查以确保其所有仪器都能正常工作。然后,观测将开始。

一旦JWST在其L2的同伴们附近安顿下来,一切可能会平静——至少在几年内是这样。 

还有六个以上的任务计划前往那里。例如,南希·格蕾丝·罗马空间望远镜(Nancy Grace Roman Space Telescope)计划在2020年代晚些时候前往那里。欧洲航天局的暗物质探测器Euclid;欧洲航天局的两台观测系外行星的望远镜PLATO和ARIEL;以及日本试图观测宇宙早期历史的LiteBIRD任务,也将前往那里。

 

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Rahul Rao

特约撰稿人,科学

Rahul Rao 自2021年初以来一直是《科学美国人》的实习生和特约科学作家。他报道物理学、太空、技术以及它们之间的交叉领域以及其他一切。


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