L2：詹姆斯韋伯太空望遠鏡在太空中的家

如果你問一位天文學家，詹姆斯韋伯太空望遠鏡將以何種軌道繞行地球，你可能會得到一個聽起來像是出自科幻小說的答案。韋伯望遠鏡將不會繞著地球運行，我們將把它送到距離地球約100萬英里遠的地方，這個地方稱為 "L2"。

L2 是第二拉格朗日點的縮寫，它是一個重力與軌道力學的完美平衡點，也是放置韋伯太空望遠鏡的一個絕佳位置。在日地系統中存在著五個拉格朗日點，在這些地方，來自太陽和地球的重力會與軌道運動達成平衡。將太空船放置在任何一個點都能花費最少的能量修正軌道使它與地球和太陽的相對位置保持不變。

L2這個名詞聽起來可能帶有一點末來性的神秘色彩，不過這個名字實際上是為了紀念一位出生於1736年的數學家。拉格朗日點是以一位出生於義大利的數學家與天文學家拉格朗日 (Joseph-Louis Lagrange) 命名的，他對古典力學和天體力學有相當重要的貢獻。拉格朗日在1764年研究了地球、太陽、和月球間的「三體問題」(因這三個物體相互環繞而得名)，直到1772年時他發現了解答：這個系統一共有五個穩定點，你可以將一個物體放在其中的任何一點使它與另外兩個物體的相對位置不變。

至於其中的L2點，距離地球約93萬英里，正位於太陽的相反方向。正如我們所知，地球每年繞行太陽一周。一般而言，比地球更遠100萬英里的天體應該會運行得更慢，繞行太陽一周所需的時間應該要超過一年。然而在與太陽和地球呈一直線的L2點，由於擁有來自兩大天體同方向的重力，因此位於此處的太空船能得到額外的能量，使它與地球的軌道周期一致。韋伯望遠鏡將會被放置在稍微偏離平衡點，繞行L2的軌道上。

圖中展示了日地系統的五個拉格朗日點。位於其中任何一個點的物體都可以和另外兩個天體間保持相對不變的位置。影像版權：NASA。

為什麼要將韋伯望遠鏡送到L2去呢？當天文學家們開始思考要將韋伯望遠鏡放置於何處時，有幾個需要特別考慮的要點。首先，韋伯望遠鏡將以紅外光的波段觀測整個宇宙，我們通常視這一波段為熱輻射。為了提供望遠鏡絕佳的機會探測宇宙中最遙遠、昏暗的天體，因此環境的溫度要儘可能地低。

「與地球軌道相比，像L2這相的深空位置最大的好處在於我們可以將熱量輻射出去。」韋伯望遠鏡的資深科學家，同時也是NASA哥達德太空飛行中心的觀測宇宙學實驗室負責人 Jonathan P. Gardner 說：「韋伯望遠鏡的觀測波段是紅外光，屬於熱輻射。為了看到遙遠的星球與星系發射出來的紅外光，望遠鏡的溫度必須非常低。韋伯望遠鏡擁有大型遮光罩以避免來自太陽與地球的輻射，使其溫度降至攝氏零下255度 (約華氏零下370度)。」為了讓遮光罩更有效率，韋伯望遠鏡需要放置在大約與太陽和地球相連的方向上。

當太陽與地球處在天空中的同一位置，韋伯望遠鏡便擁有寬廣且沒有障礙的視野以觀測整個宇宙。相較之下，哈柏望遠鏡因處於近地軌道，每90分鐘會進出地球陰影一次。因此哈柏每繞行地球一次，視野就會被地球擋到一陣子，這使得望遠鏡的觀測時間受到了限制。

詹姆斯 韋伯太空望遠鏡與哈柏太空望遠鏡軌道的比較圖。影像板權：NASA。

另外一架紅外線望遠鏡，史匹哲太空望遠鏡，則位於環繞太陽的軌道上，並逐漸遠離地球。史匹哲與地球的距離已經超過100萬公里 (約60萬英里) ，最後它將會走到太陽的另一側。一旦我們無法與史匹哲保持通信，它的任務生涯便宣告結束。

相較之下，將望遠鏡放置在L2的另一個優勢便是通訊的方便性。基本上，韋伯望遠鏡將會一直處於太空中的同一個點。Gardner 說：「我們可以透過深空通訊網 (Deep Space Network, DSN) 與韋伯進行持續性地通信。在運轉期間，我們每天可以透過 DSN 上傳指令與下載資料兩次。望遠鏡可以自動執行一系列的指令 (指向與觀測)。一般而言，我們一次會上傳一個星期份量的觀測指令，如果有需要，也可以每天進行更新。」

在韋伯望遠鏡之前，天文學家們已經知道L2是一個相當適合放置太空觀測站的好地方了。在L2上已經有數個衛星，包含了威爾金森微波異向性偵測衛星(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) ，以及赫歇爾和普朗克太空觀測站。不過那裡仍有相當大的空間容納更多望遠鏡，而在不久的將來，韋伯望遠鏡將會向著L2出發。

相關連結：

詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)：http://www.jwst.nasa.gov/

JWST 的軌道：http://www.jwst.nasa.gov/

資料來源：http://www.nasa.gov/topics/universe/features/webb-l2.html