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韦布望远镜即将环绕“拉格朗日点”运行,它的轨道为什么这么怪?

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星空天文

2022-01-23 13:28

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詹姆斯·韦布空间望远镜即将进入环第二拉格朗日点轨道。

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韦布望远镜即将环绕“拉格朗日点”运行,它的轨道为什么这么怪?

环绕第二拉格朗日点飞行的詹姆斯·韦布空间望远镜。GSFC

在跋涉了近一个月后,詹姆斯·韦布空间望远镜已经接近了它的目的地——地日第二拉格朗日点附近。

韦布望远镜升空后进入的是一条近地点300千米,远地点130万千米的椭圆形轨道。它在这条轨道上一直向远地点飞行,飞行速度逐渐变慢。在到达第二拉格朗日点附近时它将进行最后一次变轨,泊入一条环绕第二拉格朗日点飞行的所谓“光环”轨道。这样的入轨方式虽然不是最快,却是最经济最可靠的一种方式。望远镜预计将在1月24日进入环第二拉格朗日点轨道。

地日第二拉格朗日点距离地球约150万千米,位于月球轨道之外,是月球与地球距离的大约四倍。在数学上,拉格朗日点是“三体问题”的一个解。

宇宙中所有被引力束缚的两个大质量天体都会在其周围的引力场中产生五个拉格朗日点。在这五个点上,它们的引力能够和第三个天体或飞行器运动过程中产生的离心力达到平衡。

但这五个点中只有两个较为稳定。第一、第二和第三拉格朗日点的引力梯度类似于马鞍,它们就好像位于一条连接两个山峰的山脊上,虽然与山峰相比处于较为稳定的低位,但是和另外两侧的山谷相比却依然是不稳定的高位;第四和第五拉格朗日点则较为稳定,它们的引力梯度就好像山脊上的洼地。

韦布望远镜选择环绕第二拉格朗日点飞行是多方考虑的结果。首先,在第二拉格朗日点,太阳和地球以及月球位于同一侧,韦布望远镜只要将遮阳板朝向太阳的方向,就可以让自己永远处于阴影中。由于韦布是一台红外望远镜,保持低温这一点非常重要。韦布正常工作的理想环境温度是零下225摄氏度。其遮阳板向阳一侧和背阳一侧的温差极大:向阳面的温度是85摄氏度,而背阳面的温度只有零下233摄氏度。

第二拉格朗日点和地球的距离也已经足够远,所以望远镜也不会受到地球热辐射的影响。与太阳辐射相比,地球的辐射很微弱,但对于这样一台精密的望远镜而言,同样不容忽视。

在这个位置上,望远镜还可以始终保持对近一半天空的观测。如果需要观测的目标位于另外一半天空,也只需等待几个月,当望远镜跟随地球在环太阳的轨道上前进一段距离后,目标自然就会显现出来。而由于永远位于地球的视野中,望远镜和地面的通讯联络也会容易一些。

韦布望远镜之所以要环绕第二拉格朗日点飞行,而不是直接定位在那里,一方面是因为对地面控制人员来说,这样做既简便,又省燃料;另一方面还可以避免“日食”,也就是要避免望远镜飞入地球的阴影中。事实上,韦布望远镜环绕第二拉格朗日点运行的轨道半径,比月球环绕地球运行的轨道半径还要大。

虽然太阳辐射会带来热量,但是望远镜也需要阳光来给自己充电。而第二拉格朗日点由于受地球遮挡,处于永恒的黑夜中。

望远镜升空后一直处于阳光的照射中。让望远镜保持在一个稳定的环境中,而不是在经受了阳光的照射之后又飞入地球的阴影,有利于其保持自身的热稳定,而不至于遭受极端的温度变化。

韦布将在这条轨道上,以六个月为一个周期,长期环绕第二拉格朗日点飞行。为了保持轨道,韦布装备的小型推进器每三个星期左右要点火一次,进行轨道修正。

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地日系统中的五个拉格朗日点。NASA

参考

About Webb Orbit

https://www.webb.nasa.gov/content/about/orbit.html

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