美国国家航空航天局(NASA)的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,简称JWST)在过去的一个月里,在太空中飞行了超过160万公里,并在美国当地时间周一进行了最后一次航向修正操作,最终到达了最终目的地。现在,JWST将永远留在那里,开始观察宇宙中最古老的恒星和星系。
作为有史以来发射到太空的最强大的望远镜,JWST于2021年圣诞节发射,但由于它太大了,无法以最终形式进入太空,研究人员不得不将其折叠,并用火箭发射。抵达太空后,JWST开始了极其复杂的变形和展开动作,此前从未有任何航天器展示过如此超能力。然而,JWST的每一次部署行动都进行得天衣无缝,最终在1月8日完成了主要部署,并扩展成最终形式。
然而这个过程让任务组充满了担忧,因为每一步都必须按计划实施,一个小小的失误都可能危及JWST的整个任务。然而,任务小组的担忧并没有在部署完成后结束,JWST仍然必须进入太空的最后一个轨道才能正确完成任务。如果不适当减速,可能会进入错误的轨道或者完全错过目标轨道。这样的失败可能会使任务的未来变得复杂,并使科学家与这台耗资近100亿美元的太空望远镜进行交流变得极其困难。
幸运的是,JWST完美地完成了最后的部署。美国宇航局戈达德太空飞行中心JWST项目经理比尔欧克斯在一份声明中说:“在过去的一个月里,JWST取得了惊人的成功,这是对所有花了几十年时间确保任务成功的人的敬意。”
虽然花了一个月的时间才到达这一点,但JWST并没有花很长时间就把自己导向了最终的目的地。美国东部时间周一下午2点左右,JWST启动了大约5分钟的机载推进器。这是JWST最后一次完成三次航向修正,使飞船减速,以便以非常精确的方式进入预定的太空轨道。
JWST现在围绕着太空中一个看不见的点运行,这个点叫做地球-太阳的拉格朗日点。这是一个有些神秘的空间区域,在这里太阳和地球的引力和向心力是平衡的,所以物体可以保持在一个相对稳定的位置。JWST主要承包商诺斯罗普·格鲁曼公司的高管让-保罗·皮诺说:“在重力完全平衡的地方,一场小型的拔河比赛正在进行,但还没有人获胜。”
太阳和地球共有五个这样的拉格朗日点,它们分散在地球周围。JWST绕着一个叫L2的拉格朗日点运行,这个点离太阳更远。在这个位置,当地球围绕恒星运行时,JWST将几乎同步地跟随行星,就像一个恒定的伴侣,总是处于相对于地球的同一位置。无论地球在哪里绕着太阳转,JWST肯定离我们大约160万公里。
JWST环绕L2的轨道实际上相当宽,大约相当于地球和月球之间的距离。但是没有外部的帮助,JWST不可能永远停留在这条轨道上。L2是一个所谓的“伪稳定轨道”,也就是说,围绕这个位置运动的物体倾向于向一个方向漂移。
因此,JWST将不得不在其整个生命周期内对其轨道进行微调。每隔20天左右,望远镜会启动推进器两到三分钟,以确保它停留在预定的轨道上。最终,这些调整将决定JWST能在太空活动多久。未来10到20年推进剂耗尽,望远镜的使命就结束了。
这可能看起来是一个相当复杂的位置,需要付出很多额外的努力来保持JWST的稳定。但由于各种原因,L2是JWST最有吸引力的地方,也许最大的优势在于它与地球和太阳的距离。JWST可以收集红外光,这是一种与热有关的光。由于这种设计选择,望远镜必须始终保持极低的温度。
这就是为什么JWST配备了一个总是面向太阳的遮阳板。它会反射太阳的热量,使望远镜保持低温。然而,如果美国宇航局不小心,附近任何散发热量和红外线的东西都可能干扰JWST的观测。通过将望远镜放置在距离地球160万公里的地方,美国宇航局确保来自地球和月球的红外光不会干扰或加热望远镜。
从能源的角度来看,L2也很合适,因为JWST的一面总是朝向太阳。在加热方面,望远镜有一个太阳能电池板,它不断收集阳光为其提供动力。其他航天器没有这样豪华的设计,如绕地球运行的哈勃太空望远镜。每当哈勃在地球背面运行时,就会失去太阳的视野,必须在电池中储存能量。JWST绝不会有这种情况。诺斯罗普·格鲁曼公司JWST任务系统工程负责人凯尔霍特(Kyle Hott)说:“我们基本上拥有无限的任务操作能力,我们不用担心任何日食。”
绕地球运行时,昼夜不停的切换也会带来很多影响。例如,温度的极端波动会导致航天器发生碰撞和振动,导致其仪器随着时间的推移而退化。JWST在其整个生命周期中将在大致相同的温度下运行。
另外还有保持持续沟通的好处。由于L2相对于地球总是处于同一位置,JWST将始终与地球保持一定的距离。这意味着我们可以一直和望远镜保持联系。霍尔特说:“我们可以在L2被地球和太阳拉着走,这样我们就可以与望远镜保持良好、便捷和持续的通信,这也简化了许多任务。”
进入最终轨道暂时结束了JWST危险的太空之旅,为科学观测铺平了道路。然而,我们仍然需要等待JWST做最后的准备。在望远镜投入使用之前,科学家和工程师将很快开始精确瞄准望远镜的镜子,并测试所有仪器,以确保他们准备好收集宇宙中最古老的恒星和星系的第一批图像。
这个过程将需要几个月的时间,但如果进展顺利,JWST拍摄的第一批图像最早可能在今年夏天发回地球。