天天看點

5個拉格朗日點,韋伯望遠鏡隻能圍繞L2點運動,為什麼?

比最初的預定計劃整整推遲了15年,但最終詹姆斯韋伯太空望遠鏡還是于2021年12月25日順利升空了。

之後,它便會按照計劃前往距離地球150萬公裡的第二拉格朗日點,并圍繞該點以半徑80萬公裡的日暈軌道運作。什麼是拉格朗日點呢?它是由數學家拉格朗日計算得出的一個引力平衡點。當一個物體同時受到兩個天體的引力作用時,就會在這兩個天體周圍産生5個引力平衡點,如果将物體放在這5個拉格朗日點上,那麼物體就可以與這兩個天體保持固定的相對位置。任意兩個天體之間都存在這樣的引力平衡點,地日之間有,地月之間也有,此前中國發射的鵲橋衛星就位于地球與月球的第二拉格朗日點上。

5個拉格朗日點,韋伯望遠鏡隻能圍繞L2點運動,為什麼?

既然地球與太陽之間存在着5個拉格朗日點,那麼為什麼韋伯望遠鏡一定要放置在第二拉格朗日點上呢?這個問題還得從韋伯望遠鏡本身說起。

在韋伯太空望遠鏡發射升空之前,人們最為熟悉的太空望遠鏡就是哈勃太空望遠鏡了,然而哈勃望遠鏡與韋伯望遠鏡并不是一回事,哈勃望遠鏡是一台光學望遠鏡,而韋伯望遠鏡則是一台紅外線望遠鏡。因為韋伯望遠鏡是用來觀測宇宙深空的,它的任務是捕捉宇宙誕生之初的星系所發出的光亮。要知道,宇宙自誕生之日起便始終處于膨脹之中,那些誕生于宇宙形成之初的星系可都距離我們十分遙遠,憑什麼韋伯望遠鏡就能看到它們呢?

5個拉格朗日點,韋伯望遠鏡隻能圍繞L2點運動,為什麼?

光在傳播的過程中波長會發生變化,這種波長的變化就被我們稱之為紅移或者藍移,紅移是指波長變長,藍移是指波長變短。

那麼波長為什麼會發生變化呢?是因為距離發生了變化。形象一點來講,假設我們現在有一根彈簧拽着兩個小球,當兩個小球的距離變遠時,彈簧就會被拉長,如果把彈簧想象成波長,那麼就是波長變長了。反之,如果兩個小球的距離縮短,彈簧就會被壓縮,也就是波長變短了。在宇宙中,大多數的天體都在遠離我們,是以當它們發出的光跨越遙遠的星際空間到達地球時,波長就會變長,也就是發生紅移現象。

5個拉格朗日點,韋伯望遠鏡隻能圍繞L2點運動,為什麼?

在我們的身邊,隻有仙女座星系有着明顯朝向銀河系運動的趨勢,是以它所發出的光波長會變短,是以它是宇宙中極為罕見的會呈現出藍移現象的星系。

另一方面,宇宙空間本身就處于不斷膨脹之中,而空間的膨脹也會導緻光傳播距離的增加,是以也會導緻紅移現象的發生。除了距離的增加和空間的膨脹之外,還有第三個導緻紅移現象發生的因素就是引力。任何有品質的物體都具有引力,而擁有數千億顆恒星的星系更是擁有強大的引力,而引力是一種幾何效應,它的本質就是時空的彎曲,而彎曲後的時空就意味着光線所要經過的距離增加,是以波長也會相應邊長,産生紅移現象。

5個拉格朗日點,韋伯望遠鏡隻能圍繞L2點運動,為什麼?

星系的光傳播到地球會産生紅移現象,而且越是遙遠的星系,這種紅移現象可能就越明顯,是以這些星系所發出的紫外線在到達地球後就因為紅移現象而變為了紅外線,是以我們就需要一台紅外線望遠鏡來進行觀測,而詹姆斯韋伯太空望遠鏡就是這樣一台紅外線望遠鏡。

然而紅外線望遠鏡雖然是觀測宇宙深空的利器,但卻有着十分明顯的問題,那就是極易受到幹擾。紅外線是什麼?紅外線的本質就是溫度,而溫度的本質就是運動,而宇宙中沒有絕對的靜止,也就不存在絕對零度,也就是說所有的物體都會發出紅外線,而地球和太陽所發出的紅外線就會給韋伯太空望遠鏡造成極大的幹擾。

5個拉格朗日點,韋伯望遠鏡隻能圍繞L2點運動,為什麼?

為了盡可能減小感染,就必須将韋伯望遠鏡放置到第二拉格朗日點上,因為其餘4個拉格朗日點都同時面朝太陽和地球,隻有在L2點上,太陽的光線被地球所遮擋,可以最大限度地降低紅外線幹擾。

既然如此,為什麼不幹脆将韋伯望遠鏡固定在L2點上,還要讓它圍繞L2點進行日暈軌道運動呢?因為這樣可以使通信抛物面天線與太陽光成28度夾角,既能夠避免太陽光影響通信,又能夠讓部分光線照向韋伯望遠鏡,以便為韋伯望遠鏡的太陽能電池闆提供能量,L2點本身并不十分穩定,是以還需要少部分的自身動力維持軌道的穩定。

繼續閱讀