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5个拉格朗日点,韦伯望远镜只能围绕L2点运动,为什么?

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科学信仰v

2022-01-15 10:41

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比最初的预定计划整整推迟了15年,但最终詹姆斯韦伯太空望远镜还是于2021年12月25日顺利升空了。

之后,它便会按照计划前往距离地球150万公里的第二拉格朗日点,并围绕该点以半径80万公里的日晕轨道运行。什么是拉格朗日点呢?它是由数学家拉格朗日计算得出的一个引力平衡点。当一个物体同时受到两个天体的引力作用时,就会在这两个天体周围产生5个引力平衡点,如果将物体放在这5个拉格朗日点上,那么物体就可以与这两个天体保持固定的相对位置。任意两个天体之间都存在这样的引力平衡点,地日之间有,地月之间也有,此前中国发射的鹊桥卫星就位于地球与月球的第二拉格朗日点上。

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既然地球与太阳之间存在着5个拉格朗日点,那么为什么韦伯望远镜一定要放置在第二拉格朗日点上呢?这个问题还得从韦伯望远镜本身说起。

在韦伯太空望远镜发射升空之前,人们最为熟悉的太空望远镜就是哈勃太空望远镜了,然而哈勃望远镜与韦伯望远镜并不是一回事,哈勃望远镜是一台光学望远镜,而韦伯望远镜则是一台红外线望远镜。因为韦伯望远镜是用来观测宇宙深空的,它的任务是捕捉宇宙诞生之初的星系所发出的光亮。要知道,宇宙自诞生之日起便始终处于膨胀之中,那些诞生于宇宙形成之初的星系可都距离我们十分遥远,凭什么韦伯望远镜就能看到它们呢?

光在传播的过程中波长会发生变化,这种波长的变化就被我们称之为红移或者蓝移,红移是指波长变长,蓝移是指波长变短。

那么波长为什么会发生变化呢?是因为距离发生了变化。形象一点来讲,假设我们现在有一根弹簧拽着两个小球,当两个小球的距离变远时,弹簧就会被拉长,如果把弹簧想象成波长,那么就是波长变长了。反之,如果两个小球的距离缩短,弹簧就会被压缩,也就是波长变短了。在宇宙中,大多数的天体都在远离我们,所以当它们发出的光跨越遥远的星际空间到达地球时,波长就会变长,也就是发生红移现象。

在我们的身边,只有仙女座星系有着明显朝向银河系运动的趋势,所以它所发出的光波长会变短,因此它是宇宙中极为罕见的会呈现出蓝移现象的星系。

另一方面,宇宙空间本身就处于不断膨胀之中,而空间的膨胀也会导致光传播距离的增加,所以也会导致红移现象的发生。除了距离的增加和空间的膨胀之外,还有第三个导致红移现象发生的因素就是引力。任何有质量的物体都具有引力,而拥有数千亿颗恒星的星系更是拥有强大的引力,而引力是一种几何效应,它的本质就是时空的弯曲,而弯曲后的时空就意味着光线所要经过的距离增加,所以波长也会相应变长,产生红移现象。

星系的光传播到地球会产生红移现象,而且越是遥远的星系,这种红移现象可能就越明显,所以这些星系所发出的紫外线在到达地球后就因为红移现象而变为了红外线,所以我们就需要一台红外线望远镜来进行观测,而詹姆斯韦伯太空望远镜就是这样一台红外线望远镜。

然而红外线望远镜虽然是观测宇宙深空的利器,但却有着十分明显的问题,那就是极易受到干扰。红外线是什么?红外线的本质就是温度,而温度的本质就是运动,而宇宙中没有绝对的静止,也就不存在绝对零度,也就是说所有的物体都会发出红外线,而地球和太阳所发出的红外线就会给韦伯太空望远镜造成极大的干扰。

为了尽可能减小感染,就必须将韦伯望远镜放置到第二拉格朗日点上,因为其余4个拉格朗日点都同时面朝太阳和地球,只有在L2点上,太阳的光线被地球所遮挡,可以最大限度地降低红外线干扰。

既然如此,为什么不干脆将韦伯望远镜固定在L2点上,还要让它围绕L2点进行日晕轨道运动呢?因为这样可以使通信抛物面天线与太阳光成28度夹角,既能够避免太阳光影响通信,又能够让部分光线照向韦伯望远镜,以便为韦伯望远镜的太阳能电池板提供能量,L2点本身并不十分稳定,所以还需要少部分的自身动力维持轨道的稳定。

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