太空中，没有地球厚重的大气层遮挡和扭曲光线，也没有地面城市璀璨灯光的干扰。正因如此，将望远镜送入太空成为了人类探索宇宙最清晰、最深入的途径之一。这些位于地球大气层之上的“太空之眼”，以前所未有的视角，揭示着宇宙的浩瀚与壮丽。
太空望远镜：超越地球界限的观测平台
围绕【太空望远镜】这一核心，我们可以展开一系列深入探究的问题：它们到底是什么？我们为什么要付出巨大成本将它们送入太空？它们工作在宇宙的哪个角落？目前有多少这样的设施在运行？它们是如何捕捉并分析遥远星光，又是如何被建造、发射和控制的？以下将详细解答这些疑问。
一、 太空望远镜，究竟“是什么”？
它是什么？
简单来说，太空望远镜是将望远镜安置在地球大气层之外的航天器。它们本质上与地基望远镜一样，用于收集来自宇宙天体的电磁辐射（如可见光、红外线、紫外线、X射线、伽马射线、射电波等），然后利用科学仪器（如相机、光谱仪等）对这些辐射进行分析，以获取关于天体形态、组成、温度、运动等信息。但关键在于它们独特的工作环境——真空的太空。
它的主要组成部分？
一个典型的太空望远镜由几个关键系统构成：
- 光学/收集系统： 主镜或透镜，负责收集和聚焦来自天体的光线。对于不同波段，光学系统的设计差异巨大（例如，X射线望远镜采用掠射光学系统，而非传统的反射镜）。
- 科学仪器： 位于焦点处，用于将收集到的光线转化为可分析的数据。这可能包括高分辨率相机、测量光谱的仪器（光谱仪），或测量亮度的设备（光度计）。
- 航天器平台： 支撑并保护光学系统和科学仪器，提供电力、通信、姿态控制和温度控制等必要功能。
- 电源系统： 通常是太阳能电池板，为整个航天器提供电能。对于一些深空探测器或不在阳光照射区域工作的任务，可能会使用放射性同位素热电发电机 (RTG)。
- 通信系统： 包括天线，用于接收地面指令和将观测数据传回地球。
- 姿态控制系统： 利用反作用轮、陀螺仪、星敏感器（star tracker）甚至微型推进器来精确指向目标天体，并保持指向的稳定。
它们观测什么类型的光？
地基望远镜主要受限于大气层对电磁波的透过程度，只能有效观测可见光、部分射电波和极少量的红外线。而太空望远镜则不受此限制，可以观测到被大气层完全吸收的波段，这极大地拓展了人类对宇宙的认知边界。不同太空望远镜通常专注于特定的波段：
- 光学望远镜： 如哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope, HST），主要观测可见光、紫外光和近红外光。
- 红外望远镜： 如斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）和詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST），观测红外线，能够穿透尘埃云，看到恒星和行星的形成区域，以及早期宇宙的红移光芒。
- 紫外望远镜： 观测紫外线，研究高温恒星、星系核心、以及星际介质。
- X射线望远镜： 如钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory），观测X射线，研究黑洞、中子星、超新星遗迹和星系团等高能现象。
- 伽马射线望远镜： 如费米伽马射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope），观测伽马射线，研究宇宙中最剧烈、能量最高的事件，如伽马射线暴。
- 射电望远镜： 虽然部分射电波能穿透大气层，但将射电望远镜置于太空或月球背面可以进一步避免地面干扰，并实现更长基线干涉测量。
二、 “为什么”我们要将望远镜送入太空？
将大型、复杂的望远镜送入太空是一项极其昂贵和充满挑战的任务。但这样做带来的科学回报是巨大的，主要原因有以下几点：
克服大气层的阻碍
地球的大气层是生命的保护伞，但对于天文观测来说，它带来了诸多不便：
- 吸收电磁辐射： 大气层（尤其是水蒸气、二氧化碳、臭氧等）会吸收大部分波段的电磁辐射，特别是红外线、紫外线、X射线和伽马射线。这意味着地面望远镜根本无法接收到这些波段来自宇宙的信息。
- 大气湍流造成的图像扭曲（“视宁度”问题）： 大气层的温度和密度不均匀会导致光线经过时发生随机折射，使得星光闪烁不定，模糊了望远镜看到的图像细节，限制了分辨率。即使是最好的地基望远镜，其图像清晰度也会受到视宁度的限制。太空望远镜在真空环境中工作，完全避免了这一问题，能够获得比同等口径地基望远镜清晰得多的图像。
摆脱地面光污染
随着城市化进程，地面的夜空越来越亮，人造灯光产生的背景光严重干扰了地面望远镜对微弱天体的观测，降低了对比度。太空望远镜则不受地面光污染的影响，可以清晰地观测到极其暗弱的遥远天体。
观测特定波段
如前所述，大气层对许多波段是“不透明”的。只有将探测器送入太空，我们才能接收到来自这些波段的光子，从而研究宇宙中无法通过可见光观测到的现象。例如，红外线能够穿透星际尘埃，揭示隐藏的恒星形成区域；X射线和伽马射线则由宇宙中最具能量的事件产生。
因此，虽然地基望远镜依然是天文研究的重要工具，尤其是在射电和部分可见光波段以及口径方面具有优势，但太空望远镜提供了独特的、无法替代的观测能力，是推动现代天文学和宇宙学发展的关键。
三、 太空望远镜“在哪里”工作？
太空望远镜并不是都在同一个位置，它们的轨道是根据任务目标和技术要求精心选择的。不同的轨道有不同的优点和局限性。
不同的轨道选择
望远镜需要绕地球或太阳运行，以保持在太空中。轨道选择影响了望远镜能看到的天空范围、与地面的通信便利性、以及所处的环境（如辐射、温度变化）。
近地轨道 (LEO)
一些太空望远镜运行在距离地球表面数百公里（通常在 200-2000公里）的近地轨道上。哈勃空间望远镜就是最著名的例子，其轨道高度约 540 公里。
- 优点： 相对容易到达，发射成本较低；与地面通信延迟短，数据传输相对方便；更重要的是，早期可以通过航天飞机等进行维护和升级（如哈勃）。
- 缺点： 仍受到地球大气剩余阻力（虽然非常微弱）的影响，需要定期轨道提升；受到地球引力影响，轨道周期较短，需要频繁绕地；会经过地球辐射带，可能影响仪器；地球自身会遮挡部分天空，无法持续观测某个特定区域。
地球同步轨道/地球静止轨道
位于距离地球约 36,000 公里的轨道，相对于地球表面某个点保持相对固定。
- 优点： 可以持续观测地球表面的特定区域（对地球观测卫星有用）；与地面单个测控站的通信方便。
- 缺点： 轨道较高，发射成本更高；处于辐射带中；不适合需要全天域观测或避免地球热辐射和光污染的深空天文望远镜。
拉格朗日点 (Lagrange Points)，尤其是 L2 点
拉格朗日点是空间中一些特殊的点，在双天体（如地球和太阳）引力作用下，放置于这些点的物体相对于这两个天体能保持相对静止。对于天文观测，地球-太阳系统的拉格朗日点（L1, L2, L3, L4, L5）非常重要。詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）、欧几里德望远镜（Euclid）、罗马空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）等先进的红外/光学望远镜就工作在或将工作在地球-太阳系统的 L2 点附近。
L2 点位于地球绕太阳轨道的外侧，与地球在同一直线上，距离地球约 150 万公里。
-
优点：
- 位于地球和太阳的同一侧，望远镜可以背向太阳、地球和月球，利用一个巨大的遮阳板同时阻挡这三者的光线和热量，这对于需要保持极低温度以观测微弱红外信号的望远镜（如JWST）至关重要。
- 相对于地球和太阳位置稳定，可以长时间、连续地观测天空中的特定区域，而无需频繁调整姿态躲避地球遮挡。
- 环境稳定，远离地球辐射带，温度变化相对和缓。
- 缺点： 距离地球非常遥远，发射成本极高；通信延迟较大；一旦出现故障，目前人类技术很难进行在轨维护（不像哈勃在近地轨道）。
此外，一些望远镜还可能被送入绕太阳运行的轨道，远离地球，以避免地球的影响。例如，已经退役的斯皮策空间望远镜最终进入了一个跟随地球绕太阳运行、逐渐远离地球的轨道。
四、 “有多少”太空望远镜在运行？
这是一个动态变化的数字。世界各国航天机构和科研组织已经发射并仍在运行着许多用于天文观测的航天器，包括专注于不同波段、不同科学目标的望远镜和探测器。无法给出一个精确的实时数字，因为一些旧任务可能仍在收集数据或进行监测，而新的任务则在不断规划和发射。但可以肯定的是，目前有数十个专注于天文观测的太空望远镜和探测器在太空中运行。
一些著名的例子（部分已退役，但影响深远）：
- 哈勃空间望远镜 (HST)： 可见光/紫外/近红外，近地轨道，自 1990 年以来一直在运行，通过多次维护延长寿命，获取了无数改变我们宇宙观的图像和数据。
- 钱德拉X射线天文台 (Chandra X-ray Observatory)： X射线，高椭圆轨道，于 1999 年发射，是目前最强大的X射线望远镜之一。
- XMM-牛顿卫星 (XMM-Newton)： X射线/紫外/可见光，高椭圆轨道，欧洲空间局于 1999 年发射，是另一重要的X射线观测设施。
- 斯皮策空间望远镜 (Spitzer Space Telescope)： 红外，绕太阳轨道，于 2003 年发射，已于 2020 年退役，但其数据仍在研究中。
- 费米伽马射线空间望远镜 (Fermi Gamma-ray Space Telescope)： 伽马射线，近地轨道，于 2008 年发射，用于研究高能宇宙现象。
- 普朗克卫星 (Planck)： 探测宇宙微波背景辐射（CMB），运行于 L2 点附近，于 2009 年发射，已退役但数据成果显著。
- 盖亚任务 (Gaia)： 精密测量恒星位置和运动，绕太阳轨道（L2 点附近），欧洲空间局于 2013 年发射，正在构建前所未有的银河系三维地图。
- 凌日系外行星巡天卫星 (TESS)： 搜寻系外行星，高椭圆轨道，于 2018 年发射，通过凌日法发现了大量系外行星候选体。
- 詹姆斯·韦布空间望远镜 (JWST)： 红外/近红外，绕太阳轨道（L2 点附近），于 2021 年发射，是目前最强大的空间望远镜，专注于观测早期宇宙和系外行星大气。
- 欧几里德望远镜 (Euclid)： 可见光/近红外，绕太阳轨道（L2 点附近），欧洲空间局于 2023 年发射，旨在绘制宇宙三维地图，研究暗能量和暗物质。
这仅仅是一部分活跃或近期退役的太空望远镜列表，还有许多其他专注于太阳观测、地球空间环境观测、或其他特定天体物理现象的太空任务。
五、 太空望远镜“如何”工作？
太空望远镜的工作原理涉及到光线捕获、数据处理、能量供应、通信以及精确控制等多个复杂环节。
光线的捕获与聚焦
就像地基望远镜一样，太空望远镜通过其主镜（反射式望远镜，更常见于大型天文望远镜）或透镜（折射式望远镜，较少用于大型天文望远镜）来收集来自遥远天体的光线。光线进入望远镜后，经过精密的光学系统（如主镜、副镜等）多次反射或折射，最终聚焦到望远镜后端的焦点平面上。
科学仪器的作用
在焦点平面上，安装着各种科学仪器：
- 相机： 内部装有敏感的光探测器（如CCD或红外探测器阵列），将光信号转化为电信号，形成我们看到的数字图像。不同波段的相机使用不同类型的探测器，且需要保持在特定的温度（红外探测器需要极低的温度）。
- 光谱仪： 将光线分解成不同波长的成分，就像棱镜分解太阳光一样。通过分析天体的光谱，科学家可以确定天体的化学组成、温度、密度、速度（通过多普勒效应）等关键信息。
- 光度计： 精确测量天体的亮度或特定波长范围内的光通量。这对于研究天体的变星性质、距离或能量输出非常重要。
这些仪器将接收到的光子转化为原始的数字数据。
数据传输回地球
原始数据量通常非常庞大。望远镜首先会在航天器内部进行初步处理和存储。然后，通过高增益天线将数据以无线电波的形式发送回地球。地面接收站（如NASA的深空网络 DSN）接收到这些信号后，再将数据发送到任务控制中心和科学运营中心进行进一步的处理、校准和分发给全球的天文学家进行研究。这个过程需要精确的指向和协调，以确保数据不丢失。
能源供应
大多数太空望远镜依靠庞大的太阳能电池板阵列将阳光转化为电能，为所有 onboard 系统供电。电源系统还包括电池，用于在望远镜处于地球阴影中或执行高功率任务时提供电力。对于距离太阳太远或在严酷环境下工作的任务，可能会使用放射性同位素热电发电机（RTG），通过放射性衰变产生的热能转化为电能。
姿态控制与指向
为了精确观测遥远、暗弱的天体，望远镜必须能够极其精确地指向目标并保持稳定。这通常通过以下系统协同实现：
- 星敏感器 (Star Trackers)： 小型相机，拍摄周围星场的图像，与内置的星图进行比对，确定航天器当前的精确姿态（朝向哪个方向）。
- 陀螺仪 (Gyroscopes)： 测量航天器的角速度变化，用于跟踪姿态的微小变动。
- 反作用轮 (Reaction Wheels)： 电机驱动的轮子。通过改变轮子的转速，根据角动量守恒原理产生反作用力矩，从而微调航天器的指向。这是实现高精度稳定指向的关键。
- 推进器 (Thrusters)： 小型火箭引擎，用于进行较大的姿态调整（如轨道机动或卸载反作用轮积聚的角动量）。
通过这些系统的协同工作，望远镜能够在太空中稳定地指向目标，长时间曝光以收集足够的光线。
六、 太空望远镜“如何”建造与运行？
建造和运行一个太空望远镜是人类工程和科学领域中最具挑战性的壮举之一。
严苛的建造过程
太空望远镜的建造需要多年的规划、设计、测试和巨额投资。其建造过程充满挑战：
- 光学系统精度： 主镜和次镜等光学元件需要被研磨到纳米级的精度，表面光滑度要求极高。任何微小的缺陷都会影响最终的图像质量。
- 材料选择与热控： 航天器必须使用轻质但坚固的材料。在太空中，望远镜会面临极端温度变化——暴露在阳光下的一侧可能非常热，而背阴的一侧则极度寒冷。需要复杂的隔热和散热系统（如多层隔热毯、散热器、甚至主动制冷机）来确保仪器保持在正常的工作温度，特别是对于红外望远镜。
- 真空兼容性和辐射防护： 所有组件必须能在真空环境中正常工作，不会产生有害气体或蒸发。同时，电子设备需要进行防辐射加固，以抵御空间辐射环境的损害。
- 集成与测试： 各个子系统（光学、仪器、平台、通信、电源等）需要高度集成。在发射前，整个望远镜需要在模拟太空环境的真空室中进行全面的力学、热学和功能测试，以确保其能在太空中按设计工作。
发射进入太空
太空望远镜通常非常巨大且昂贵，其发射需要使用当前最强大、最可靠的运载火箭。发射过程本身就充满风险，巨大的振动和加速度对望远镜结构是严峻考验。许多太空望远镜，特别是那些需要展开巨大结构（如韦布望远镜的镜片和遮阳板）的，在发射时会折叠起来，然后在太空中进行复杂的自动展开过程，这需要极高的可靠性。
地面控制与任务规划
一旦进入轨道并部署完成，太空望远镜的操作完全依赖于地面控制团队。
- 任务控制中心： 监测航天器的健康状况、轨道状态、能源使用等。
- 科学运营中心： 负责接收全球天文学家提交的观测申请，评估其可行性和优先级，并制定详细的观测计划，生成发送给望远镜的指令序列。
- 数据处理中心： 接收来自望远镜的原始数据，进行校准、格式转换等处理，生成可供科学家分析的科学数据产品。
地面团队需要日夜协调工作，与望远镜保持通信，上传指令，下载数据，并在出现问题时进行故障排除。
维护与寿命
太空望远镜的设计寿命通常在几年到十几年。对于近地轨道的望远镜（如哈勃），早期可以通过载人航天任务进行在轨维护、升级和维修，这极大地延长了它们的寿命。然而，对于远在 L2 点或其他深空轨道的望远镜，进行维护极其困难或几乎不可能，它们一旦出现严重故障，任务可能就会提前结束。望远镜的寿命最终可能受限于仪器性能衰减、姿态控制燃料耗尽、电池老化或遇到无法修复的故障。任务结束后，根据轨道不同，望远镜可能会被引导进入“坟墓轨道”，或受大气阻力影响最终坠入地球大气层焚毁。
太空望远镜是人类智慧和协作的杰作，它们是我们在黑暗宇宙中探索未知的前沿探险家。通过收集并分析来自遥远星辰的微弱光芒，它们不仅提供了令人惊叹的宇宙图像，更以前所未有的细节揭示了宇宙的起源、演化以及我们在其中的位置。每一次从太空望远镜传回的数据，都可能蕴含着改写教科书的重大发现。