空间望远镜如何工作：镜子、波长和观测宇宙历史

每个空间望远镜都做同样的基本工作：从暗弱的远处光源收集尽可能多的光线，并将其聚焦在探测器上。根据美国航天局的望远镜科学概述，光线的收集方式以及可以捕获哪些波长取决于镜子的设计和望远镜在太空中的位置。

为什么要把望远镜放在太空中

地基望远镜通过地球大气层观察，大气中不断变化的气流会扭曲进入的光线——这与使星星闪烁的效果相同。美国航天局的哈勃项目页面解释说，这种运动会模糊地面拍摄的图像，大气层还会在紫外线和红外辐射到达地面之前吸收大部分。

美国航天局表示，哈勃通过在距地球约300英里的高空运行，避免了大气模糊，并且能够检测到与同等地基望远镜相比暗淡约十倍的物体。空间望远镜也可以连续观察，不受天气、日光或城市光污染的干扰。

镜子，不仅仅是透镜

早期望远镜用玻璃透镜弯曲光线，这种设计称为折射。美国航天局的《望远镜101》解释说，大型透镜会变得笨重且难以发射，因此大多数现代望远镜是使用弯曲镜子的反射望远镜，因为对于相同的大小，镜子可以更薄更轻。

在典型的反射设计中，光线击中形状像抛物面的大型主镜，反弹到较小的次镜。特别是在詹姆斯·韦布空间望远镜上，美国航天局对韦布镜子的描述增加了两个步骤：来自次镜的光线反射到凹陷的三级镜，然后反射到平面精细转向镜，最后到达科学仪器。

不同的望远镜，不同的光

可见光、紫外线和红外线都可以用类似的镜子形状但不同的涂层进行聚焦。根据美国航天局对韦布镜子的描述，韦布的18个六边形主镜段由铍金属制成，涂有100纳米的金层，专门调整以有效反射红外光。相比之下，美国航天局表示，哈勃旨在收集紫外线、可见光和近红外光。

哈佛大学钱德拉X射线中心解释说，X射线的行为不同：它们会简单地穿透或被普通镜子吸收，就像子弹击中墙壁一样。钱德拉的镜子改为形状像涂有铱的嵌套圆柱形桶，只在浅'掠射'角而不是正面反射X射线，该中心说。钱德拉使用四个嵌套镜对，总共八个镜子，打磨并对齐到1.3微米以内。

伽马射线能量更高，完全通过常规光学元件。美国航天局注意到，伽马射线望远镜（如费米）改为使用探测器来跟踪伽马射线撞击钨等密集物质时产生的粒子，通过这些粒子轨迹重建射线的来源，而不是用镜子聚焦射线。

为什么位置很重要：韦布的远距离轨道

韦布不像哈勃那样在地球附近运行。美国航天局的任务页面说，韦布围绕第二个太阳-地球拉格朗日点L2循环运动，距地球约1500万公里，大约每六个月完成一圈。在那个位置，太阳、地球和月球停留在航天器的一侧，让韦布的网球场大小的遮阳板能够持续阻挡它们的热量和光线。

这种屏障是必要的，因为韦布观察的是红外线，本质上就是热。美国航天局表示，根据韦布的轨道页面，望远镜在极冷的温度下运行——大约华氏负370度——这样来自太阳或地球的任何杂散热量都不会用红外噪声淹没探测器，压倒来自遥远星系的微弱信号。

看过去，而不仅仅是遥远的

因为光以固定的有限速度传播，看得更远进入太空意味着看得更远回到过去。美国航天局的韦布科学概述指出，望远镜可以检测到来自超过135亿光年外的星系的红外线——这意味着今天捕获的光线在超过135亿年前离开了这些星系，当时宇宙还很年轻。观察光线，实际上是显示物体在光线离开时的样子，而不是它现在的样子。

根据美国航天局的望远镜概览，韦布携带四个科学仪器来分析古老的光线：NIRCam和NIRSpec用于近红外成像和光谱学，MIRI用于中红外观测，以及与NIRISS仪器配对的精细引导传感器。

从镜子到地球上的图像

现代空间望远镜不使用照相胶片。美国航天局关于望远镜如何工作的解释说，由镜子聚焦的光线落在电子探测器上，探测器将其转换为数字信号。这些信号由车载计算机存储并传输到地球上的地面站，科学家在那里将数据重建为公开发布的图像。