空间望远镜如何看到地面望远镜看不到的东西

来自恒星和星系的光以许多形式在宇宙中传播，不仅仅是人眼能看到的可见颜色。紫外线、红外线、X射线和伽玛射线光携带有关炽热年轻恒星、寒冷尘埃云、爆炸恒星和黑洞的信息。然而，地球大气层在光到达地面前吸收或扰乱了大部分光，据美国国家航空航天局科学和欧洲航天局（ESA）。

为什么地球大气层是一个屏障

欧洲航天局解释说，大气层为红外天文学造成了两个独立的问题。首先，它直接吸收大部分红外波长，只让少数几个窄波段到达地面望远镜。其次，大气层本身在红外线中发光，通常释放的辐射比天文学家试图研究的微弱宇宙物体更多，这将信号埋没在噪声中。

欧洲航天局也指出，大气层阻挡了大部分高能和紫外辐射，包括X射线、伽玛射线和大部分紫外线。美国国家航空航天局指出，其X射线观测台钱德拉的轨道高度约为139,000公里（86,500英里）——约为哈勃高度的200倍——这是因为X射线永远无法到达地球表面。

将望远镜移到大气层上方，或完全远离地球，同时解决了这两个问题：没有空气吸收光，也没有大气辉光淹没它。

不同的望远镜，不同的光

每个主要空间观测台都针对谱的特定部分进行了调整。哈勃天文望远镜于1990年发射，主要观测紫外线和可见光（0.1至2.5微米），轨道距地球约300英里（483公里），仍在间断性维护任务的范围内，据美国国家航空航天局科学。詹姆斯·韦伯空间望远镜于2021年12月发射，专为红外线设计，位于更远处，靠近第二拉格朗日点（L2），距地球大约一百万英里，在那里地球和它自身的热都不会干扰它试图检测的微弱红外信号。

韦伯的主镜面直径为6.5米（21.3英尺），而哈勃为2.4米（7.9英尺），使其集光面积超过哈勃6倍。美国国家航空航天局科学指出，韦伯可以检测到比哈勃能看到的暗100倍的物体。由于宇宙膨胀将来自最远、最早星系的光拉伸到红外波长——红移现象——韦伯的红外灵敏度使其能比哈勃的紫外线和可见光仪器更深入地观测早期宇宙。

韦伯携带用于不同红外范围的专用仪器。它的近红外相机（NIRCam）覆盖0.6至5微米，充当韦伯的主要近红外成像仪，据美国国家航空航天局科学仪器页面。中红外仪器（MIRI）覆盖5至28微米，集合了相机、分光仪（将光分解为光谱以测量各个波长的亮度）和冕仪（阻挡恒星眩光以便观察附近的暗淡行星）。MIRI需要额外的低温冷却器来保持比观测台其余部分更低的温度，以防其探测器被韦伯自身的残余热致盲。

并非每个空间观测台都能生成图像。欧洲航天局的盖亚航天器于2013年12月19日发射，驻扎在L2附近，正在建立一个精密的三维地图，覆盖银河系中20多亿颗恒星，追踪它们的运动、亮度、温度和组成，据欧洲航天局的盖亚任务页面。欧洲航天局表示，相比前身卫星依巴谷，盖亚的位置精度提高了100倍；该任务在2024年面临传感器和微陨石问题后进入了后期运营阶段。

在谱的高能端，美国国家航空航天局的钱德拉X射线观测台于1999年7月23日发射，检测来自极其炽热现象的X射线：爆炸恒星、星系团和围绕黑洞旋转的物质，据美国国家航空航天局的天体生物学任务页面。

将各部分组织在一起

欧洲航天局的赫歇尔项目科学家约兰·皮尔布拉特描述了红外观测对于研究恒星和行星如何形成的价值："通过红外观测，我们可以研究事物是如何形成的，最早的步骤，因为形成过程经常发生在凉爽且多尘的地方，"他说，据欧洲航天局。红外线穿过阻挡可见光的尘埃云，让韦伯的NIRCam和MIRI等仪器看到隐藏在星云内的新生恒星和行星。

因为没有单个望远镜覆盖整个光谱，天文学家通常结合来自几个观测台的数据。美国国家航空航天局将哈勃和韦伯描述为互补伙伴而不是竞争对手：韦伯更深的红外视野穿透尘埃和气体，而哈勃的可见光和紫外观测补充了韦伯的红外观测，一起为同一物体提供了更全面的观察。