美國國家航空航天局（NASA）的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡剛剛抵達其最終目的地——位於太空中一個引力特殊的點附近，該點被稱為第二個拉格朗日點，或 L2。這座耗資 100 億美元的觀測站可能會在那裡停留 20 年或更長時間，在凝視深空時收集關於宇宙的前所未有的見解。
自 聖誕節發射 以來，有史以來最複雜的望遠鏡韋伯一直在向 L2 行進。1 月 24 日，它啟動了一組推進器，並將自己推入圍繞該點的軌道，它將大約每六個月繞該點執行一次。L2 位於地球背對太陽的一側，距離地球約 150 萬公里，約為地月距離的四倍。在那裡，太陽和地球的綜合引力與將韋伯向相反方向拉動的向心力相平衡。
只有少數太空任務前往過 L2，它是太陽-地球系統中五個拉格朗日點之一。但計劃進行更多工，因為這個位置特別適合像韋伯這樣的靈敏天文觀測站。“L2 有一些獨特的特性，使其成為天文任務的理想之選，”德國達姆施塔特歐洲航天局（ESA）的航天器操作經理戴維·米利根說。
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這些優勢包括能夠不受阻礙地觀察大部分天空。繞地球執行的望遠鏡，例如哈勃太空望遠鏡，在大部分時間裡，其視野都會被地球遮擋很多。韋伯望遠鏡背對太陽，可以將太陽、地球和月球都擋在身後。“L2 非常好，因為它將最亮的天體——太陽、地球和月球——都放在航天器的同一側，”美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心（位於馬里蘭州格林貝爾特）韋伯飛行動力學團隊負責人工程師凱倫·裡瓊說。“您可以製造一個大型遮陽罩，並始終阻擋所有這三個天體。”
這正是韋伯所做的。從 L2 出發，其網球場大小的遮陽罩始終阻擋著太陽，而其 6.5 米寬的主鏡則凝視著深空的黑暗。韋伯將研究許多天文物體，包括宇宙中最遙遠的星系、太陽系外行星的大氣層以及籠罩在塵埃中的恆星搖籃。
寒冷的接收
L2 的另一個巨大優勢是它很冷。繞地球執行的任務在每個軌道上都會進出陽光照射，經歷巨大的溫度波動，導致裝置膨脹和收縮。必須保持低溫才能正常執行的科學儀器在 L2 表現更好，那裡的溫度更加穩定。韋伯的四個科學儀器在約 -233 °C（或絕對零度以上 40 度）的溫度下執行，以探測來自恆星、星系和其他宇宙天體的微弱熱光。
拉格朗日點以其發現者、數學家約瑟夫-路易斯·拉格朗日的名字命名，他在 1772 年發現這些位置是一個小天體可以與兩個較大質量的天體協調執行的地點。這使得 L1 和 L2，即最靠近地球的拉格朗日點，成為太空探索的顯而易見的選擇。
印第安納州西拉法葉普渡大學的航空航天工程師凱瑟琳·豪厄爾說：“從地球到這些位置存在自然的流動。”然而，“直到過去幾十年，我們才真正知道這條路徑的存在”。
第一個前往拉格朗日點的航天器是美國國家航空航天局的國際太陽地球探測器 3 號任務，該任務於 1978 年發射並前往 L1，即地球向陽一側的點。豪厄爾說，該任務表明，有可能將航天器送入圍繞拉格朗日點的軌道。1995 年，歐空局將太陽和太陽層觀測站送入圍繞 L1 的軌道；它和另外幾個任務仍在從該點研究太陽和空間天氣。
第一個在 L2 執行的任務是威爾金森微波各向異性探測器，這是一項美國國家航空航天局的任務，在 2001 年至 2010 年間研究了大爆炸的餘輝。歐空局已向 L2 傳送了多個航天器，包括現已失效的赫歇爾太空天文臺，它像韋伯一樣研究了紅外天文學。目前在 L2 還有兩個任務：歐空局的恆星測繪蓋亞航天器和俄羅斯-德國天體物理天文臺 Spektr-RG。米利根說，所有這三個都在不同的軌道上，因此沒有撞擊的危險。他還指出，“太空是巨大的”。
推力和燃燒
沒有航天器精確地位於 L2 點，因為它的引力不穩定。“我們永遠不會真正到達 L2——我們只是靠近它，”裡瓊說。韋伯沿著一個橢圓執行，其半長軸（航天器與 L2 之間的最大距離）在 25 萬到 83.2 萬公里之間。韋伯不會進入月球的陰影，從而使其太陽能電池板保持完全充電，並且其天線可以與地球持續通訊。
為了保持在這個軌道上，韋伯大約每三週需要進行一次小調整，燃燒其推進器以使其保持圍繞 L2 環繞。否則，該任務將漂移到行星際空間。如果一切順利，韋伯的壽命將取決於它何時耗盡攜帶的燃料，以使其保持在 L2 周圍的位置。
但美國國家航空航天局一直在研究使 L2 任務執行時間超過其計劃壽命的方法。理論上，可以派遣一個機器人航天器訪問韋伯，進行交會對接並補充燃料。豪厄爾還在設計服務航天器的軌道，以便從計劃在月球附近的“門戶”空間站往返 L2。未來計劃前往 L2 的任務包括美國國家航空航天局的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡（計劃於 2027 年發射）和歐空局的行星搜尋者柏拉圖和阿里爾任務（分別計劃於 2026 年和 2029 年發射）。
進入圍繞 L2 的軌道標誌著韋伯首個月複雜部署的結束，例如展開其遮陽罩。1 月 8 日，當 它通過了一個里程碑 時，它展開了其主鏡的最後一片。從那時起，工程師們一直在調整構成鏡面的 18 個六邊形鏡片的對齊。接下來是四個月的冷卻和校準其四個科學儀器，然後它將在不早於六月開始進行科學觀測。
韋伯是美國國家航空航天局、歐空局和加拿大航天局之間的合作專案。
本文經許可轉載，並於 2022 年 1 月 24 日首次發表。