來源：中國國家天文
? ? ??遙遠深空中的拉格朗日點，何以成為諸多探測器競相奔赴之地？
/?成也大氣，敗也大氣
???????我們的地球擁有一個大氣層，成分和厚度足以滋養、庇護生靈萬物。但它卻是天文學家的大敵，因為給他們的“觀天神眼”——地面天文望遠鏡糊上了一層惱人的蒙翳。現代科技日新月異，人類于20世紀中葉邁入太空時代仿佛只是須臾之間。近百顆天文衛星得以發射升空，實現了牛頓暗藏于所著文字之外、威廉·赫歇爾則直抒胸臆的夢想：跳出大氣層，目光所及處宇宙星空遠為璀璨。這之中，像婦孺皆知的哈勃空間望遠鏡（HST），運行在距離地面大約600千米的軌道上，超期服役，至今已逾30年。
? ? ??而經歷漫長的研制后，韋布空間望遠鏡（JWST）也一切就緒，即將在2021年底發射，成為HST舉世矚目的后繼者。但它不會像HST那樣工作在環繞地球的軌道上，而將奔赴深空，目的地為日地第二拉格朗日點——一個拗口的名字，一個神秘的地點。
?? ? ?故事要從偉大的歐拉說起。雖然我們認為普遍的三體問題不能精確求解，但若假設有兩顆相互環繞著共轉的大天體，軌道接近圓形，比如太陽和地球，再考慮一個質量和大小相對它們來說小到可以忽略不計的天體，比如說小行星或者航天器。對于這種特殊情形，歐拉在1765年就能夠解出，在兩顆大天體的連線上存在三個點，分別位于二者之間以及各自的外側，當小天體落于其處則可以獲得力學平衡。
歐拉，瑞士數學家、自然科學家。來源／Wiki
? ? ??這個結果不難理解。以日、地系統為例，若只考慮太陽引力，當小天體軌道位于地球軌道的內側時，根據開普勒定律，公轉角速度應該比地球更快，也就是說，不能與日、地系統同步。但是，在日、地之間，地球引力可以抵消掉一部分太陽引力，這樣所需的軌道離心力就會降低——只要選取與日、地間的距離比值合適，對應的角速度可以減慢到跟地球一樣，從而能維持與日、地的三者共線關系。這是第一拉格朗日點（L1），位于朝向太陽方向、地球往內約150萬千米處。類似的考慮，還能得到第二拉格朗日點（L2），位于地球往外約150萬千米處，以及太陽往外、遠離地球方向的第三拉格朗日點（L3）。
拉格朗日，法國數學家、物理學家，1772年求解出第四和第五拉格朗日點（L4、L5）。來源／Wiki
? ? ??同樣偉大的拉格朗日詳細考察了三體問題。針對同樣的特殊情形，他在1772年又多求解出第四和第五拉格朗日點（L4、L5），位于大天體連線的兩側，各自與兩顆大天體組成等邊三角形。順帶提一下，木星在其相對于太陽的拉格朗日點L4和L5處捕獲了大量小天體，稱為特洛伊小行星，已發現的就有十萬顆，近年來也確認有地球的特洛伊小行星存在。
日地共轉坐標系中引力和離心力的等效勢分布及拉格朗日點位置示意圖（未按比例）。來源／Wiki
/?貼地飛？不過癮！
? ? ??20世紀80年代晚期起，各國空間天文項目的規劃論證人員相繼認識到，相對于環繞地球的衛星軌道，日地第二拉格朗日點將是天文望遠鏡更為理想的安身之處。
? ? ??事實上，和HST類似，大部分的天文衛星都運行在成本低、相對便利的近地軌道上，公轉周期大約在90分鐘左右，軌道高度離地面一般不到1000千米。跟地球半徑一比，這些衛星簡直是在“貼地飛行”。坐在這些衛星上觀天，總有大片天區被地球結結實實地遮擋住，隨著軌道運動，被遮擋的天區還在不斷改變。這既大大限制了目標選擇的自由，也不利于暗弱天體或變化天文現象所需的長時間連續觀測。
? ? ??由于地球在身旁巨無霸似的存在，環繞地球的天文衛星還受到各種各樣的干擾，如地氣光、人類社會的無線電活動、重力不均勻導致的擾動、地球自身的和返照太陽而來的熱流、地磁場等等。這些干擾，或影響衛星的運行和功能，或直接影響天文觀測本身。地面上方的軌道空間也正日益變得擁擠不堪，空間碎片和商業衛星充斥其間——想想馬斯克的星鏈和資本推動下的中外類似項目吧！天文衛星的安全性和觀測運行難免不受影響。當然，人類社會追求美好生活和經濟發展的愿望也無可厚非……
? ? ??這其中，熱環境是一個更為嚴峻的挑戰。進入太空，對天文觀測來說有些額外的巨大好處，比如紅外望遠鏡和微波設備往往需要維持非常低的工作溫度，深冷的太空無疑是最利于散熱的環境。但在工程實踐中，還必須考慮來自外部的熱流。對環繞地球的衛星來說，地球的自身熱輻射，以及對太陽輻射的反照可與太陽的直接加熱旗鼓相當，且隨著軌道運動呈現復雜的變化——在日照區和地球陰影區，衛星平臺的熱平衡溫度可以有涇渭之別。在復雜的主動熱控措施之后，也難免有殘存的溫度變化和部件間溫差，而熱脹冷縮導致的微小變形，會影響天文望遠鏡的參數性能，或者產生觀測指向抖動，限制對天體的高精度觀測。
/?高難度舞者
? ? ??讓我們遠離地球，進入深空，飛到日地第二拉格朗日點，這些困擾就將迎刃而解！150萬千米，其實也不算太遠，只是日地距離的百分之一，地月距離的大約四倍，在廣袤的太空中依然可謂是咫尺——但就天文觀測而言，足矣。
? ? ??從這個位置回望，地球在天空中僅僅張開半度的角度，同我們在地球上看到的太陽或月亮的盤面一般大小?？梢哉f，絕大部分天空不再受到遮擋，觀測變得自由。人類活動、地球重力場的不均勻性、地磁場等等，也將退隱為遙遠的傳說。
? ? ??熱環境方面，考慮到與距離的平方反比關系，來自地球的熱流可以完全忽略不計了。而太陽熱流總是來自一側的固定方向，大小也基本恒定，可以安裝一面大點的遮陽板來簡單地遮擋住、反射走——航天器和觀測設備完全落在陰影區內，直接面對的就只有深冷的太空，熱控和深制冷于是容易多了。
? ? ??在這個距離上，通信和數據傳輸也并不是什么大問題。同樣工作在深空，采用地球尾隨軌道的開普勒望遠鏡（Kepler）和斯皮策空間望遠鏡（SST）就不一樣，它們逐日逐年漂離地球，終至上億千米后，因為通信受限而只能忍痛終結其漫長、輝煌的使命。
? ? ??當然，這些并不是免費的午餐。跟拉格朗日發現的L4點和L5點不同，歐拉先發現的三個平衡解L1、L2和L3是不穩定的。如同一口倒扣著鐵鍋的頂部，可以小心翼翼把一個小球擺放住，但只要旁邊有任何一點風吹草動，小球就會義無反顧滾下去。
? ? ??好在詳細計算表明，讓航天器在一定距離處環繞拉格朗日點做運動，仍能保證一定的穩定性。環繞日地L2點，這個距離通常選取為數十萬千米，避免航天器進入無法獲取太陽能的地球陰影區。相應的軌道遠非橢圓，而或是周期性的非平面暈軌道，也可以是三維形狀復雜的擬周期的利薩如軌道。但是，三體問題本質上的非線性決定了，這些解仍然只是準穩定的。就日地拉格朗日點而言，出現明顯不穩定性的時間尺度短至大約3個星期。因此，每過一段時間，就必須對航天器的軌道運動加以修正。相對昂貴的發射和入軌，復雜的軌道設計，定期消耗燃料的軌道位置保持，都是必須付出的成本與代價。
? ? ??假如從太陽系外觀看，工作在日地拉格朗日點的航天器，一方面與地球和拉格朗日點一起同步公轉，一方面還自顧自的在“原地”轉圈，跳著復雜的舞蹈。
/?飛入L2的懷抱
? ? ??最先吃螃蟹的是40年前的國際日地探測器（ISEE-3），而第一只被吃的螃蟹其實是日地第一拉格朗日點。L1點始終面向太陽，擁有全時監測太陽、太陽風及空間天氣現象得天獨厚的優勢。自20世紀90年代中期起，風太陽探測器（WIND）、太陽和日球層探測器“索賀”號（SOHO）以及高新化學組成探測器（ACE）就一直在此處辛勤工作，成果斐然。
? ? ??讓我們將時鐘直接撥到21世紀。2001年10月，經過3個月的旅程后，美國航天局的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）成為第一個飛抵日地L2點的航天器。它的前輩，工作在近地軌道的宇宙背景探測器（COBE），因繪制大爆炸理論預言的宇宙微波背景輻射（CMB）“理想”黑體譜，并且辨識出CMB溫度值在不同方向間約十萬分之一的微弱漲落（所謂各向異性），斬獲了2006年的諾貝爾物理學獎。而WMAP的任務，是將COBE初掀面紗的精密宇宙學真正創建起來。要對絕對零度附近的CMB溫度（約2.7K）的漲落開展精準的絕對測量，必須盡最大可能消除系統誤差，特別是地、日、月的熱干擾和無線電干擾帶來的信號污染，于是日地L2點成為不二之選。
? ? ??合二為一的遮陽板和太陽能帆板與太陽方向保持一個固定夾角，避免采用熱開關，完全只有被動冷卻，卻實現了僅比絕對零度高90度的工作溫度（即90K），殘存的熱變化甚至電力變化造成的影響都小到可以忽略不計。
威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）進入環繞日地L2點利薩如軌道的過程示意圖。版權／NASA
? ? ??WMAP的九年工作堪稱完美。當WMAP退役時，歐洲空間局的普朗克衛星（Planck）已發射到日地L2點接任其工作。其實兩個項目當初幾乎同時被提議，而后者花費了更長的時間來論證和研制，但也實現了更高的空間分辨率和測量精度，測量儀器被冷卻到極低的工作溫度，僅比絕對零度高0.1度。它全面證實了WMAP的結果，將一些重要宇宙學參數的測量誤差縮減到百分之一以內。
? ? ??普朗克衛星并非孤身前去赴任， 和它搭載同一枚火箭的還有赫歇爾空間天文臺（HSO），在日地L2點開展宇宙天體的遠紅外觀測，并且延伸到瀕臨的亞毫米波段。HSO的望遠鏡口徑超過了HST，達到3.5米。它所瞄準接收的遠紅外線，來自彌漫在星系中各處冰冷的塵埃以及氣體分子、原子，揭示出宇宙極其重要的“隱秘”一面。
? ? ??赫歇爾空間天文臺一直工作在2013年液氦耗盡，此后它被推入環繞太陽的“垃圾”軌道——事了拂衣去，為將來的天文任務騰清空間，也規避與地球相遇的風險。值得一提的是，國家天文臺也參與了項目科學數據軟件的研制，積累了寶貴經驗。
COBE、WMAP、Planck對同一區域的CMB溫度漲落（即各向異性）觀測對比。版權／NASA
? ? ??如今，L2點已經成為探測器的新聚集地。對于未來的空間天文任務，尤其是經費相對沒那么拮據的大型任務，日地L2點已毋庸置疑成為優先的軌道選擇。這之中，即將發射的韋布望遠鏡（JWST）：18面子鏡當在彼處緩緩展開拼合，“綻放”出一面巨型的金色“花朵”——直徑6.5米的的主鏡，想想都讓人興奮。
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