轨道望远镜的壮丽景象

从太空观测宇宙

太空望远镜是安装在地球大气层之外的天文台，不受影响地面仪器的光学、热学和无线电干扰。 它们的目标是在从伽马射线到无线电波的所有波长上观测宇宙，探索深空、星系的形成和极端高能现象。

太空观测的优势

地球大气层吸收了大部分电磁波谱。将望远镜放置在太空中，可以获得不受大气湍流或吸收影响的完整宇宙视野。这提供了卓越的角分辨率和更高的灵敏度，尤其是在红外和紫外波段。

搭载技术

太空望远镜使用 ：

• 大口径分段反射镜以收集最大量的光线。
• 冷却至极低温度的CCD或红外探测器，以最大限度地减少热噪声。
• 陀螺仪稳定系统以保持精确指向。
• 高速数据传输系统，将观测数据中继到地面的科学中心。

注意：
“运行中”的标注和结束日期反映的是本文更新日期（2026年8月13日）时各任务的状态，可能会发生变化。标注为“预计”的任务正在开发中，发射日期为暂定。
2026年新增任务：南希·格雷斯·罗曼、PLATO、SVOM、巡天（Xuntian）。未来任务：ARIEL、NewAthena、LISA。

主要的历史太空望远镜

自1990年哈勃发射以来，多个太空天文台彻底改变了我们对宇宙的理解，每一个都探索了电磁波谱的不同部分。除了日期和原始数据，每个任务都有其独特的故事：独特的发射背景、当时前所未有的技术壮举，以及常常超出最初预期的意外发现。

1970年: Uhuru

首个专门用于X射线的太空天文台Uhuru（探索者42号，或SAS‑1）于1970年12月12日从肯尼亚海岸的意大利圣马科浮动平台发射：这个日期正值肯尼亚独立七周年，为表敬意，卫星在斯瓦希里语中得名“自由”。该卫星仅携带65公斤的仪器，扫描了约95%的天空，并编录了300多个X射线源，但其最引人注目的发现是天鹅座X-1的快速变化，这是第一个被视为恒星黑洞严肃候选者的源——这是高能物理学的一个重大概念性进展。

1990年: 哈勃太空望远镜 (HST)

由NASA和ESA发射的哈勃在可见光和紫外波段观测宇宙。投入使用后不久，天文学家发现其主镜存在制造缺陷（球面像差），导致图像模糊；该问题在1993年通过奋进号航天飞机的首次维护任务中安装校正光学系统（COSTAR）得到解决。此后，其高分辨率图像（包括著名的哈勃深场）使我们能够估算宇宙年龄、研究遥远星系并确认宇宙膨胀的加速。

1991年: 康普顿伽马射线天文台

重达17吨的康普顿在其发射时是有史以来送入轨道的最重的科学卫星。其搭载的BATSE仪器记录了超过2,700次伽马射线暴，并通过它们在天空中的均匀分布证明它们来自遥远的星系，而非我们自身的银河系——这一发现终结了关于其起源长达数年的争论。1999年12月，其三个陀螺仪中的一个发生故障，导致NASA出于安全考虑，主动将天文台离轨：2000年6月4日控制其再入大气层，这是迄今为止对如此大型卫星进行的首次此类操作。

1999年: 钱德拉X射线天文台

以天体物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡命名的钱德拉在X射线波段观测天空，其角分辨率达0.5角秒，对于这类仪器来说至今仍无与伦比。其高度椭圆的轨道将其送至距地球约三分之一月球距离处，使其远离范艾伦辐射带，并允许进行数十小时的连续观测。它揭示了黑洞、超新星和星系团的辐射——特别是子弹星系团（Bullet Cluster）的辐射，为暗物质的存在提供了最具说服力的观测证据之一。

2003年: 斯皮策太空望远镜

为红外线设计的斯皮策探测到了正在形成的恒星和原行星盘。在2009年按计划耗尽液氦冷却剂后，它利用剩余两个工作探测器继续进行了超过十年的“温任务”。正是在此阶段，它完成了最轰动的发现之一：在2016-2017年间，通过对TRAPPIST-1矮星近500小时的近乎连续观测，确认了一个由七颗地球大小行星组成的系统，其中三颗位于宜居带内——这一记录对于单颗恒星而言至今仍未被打破。

2009年: 赫歇尔空间天文台

由ESA建造的赫歇尔利用直径3.5米的反射镜探索远红外和亚毫米波，这是当时送入太空的最大反射镜，几乎是哈勃望远镜的1.5倍。它被放置在拉格朗日L2点，一直工作到2013年4月液氦冷却剂耗尽，揭示了恒星形成区域的纤维状结构以及宇宙历史中星系的演化过程。

2009年: 开普勒

为通过凌星法探测系外行星而设计的开普勒，在四年间固定观测天鹅座和天琴座中约105平方度的天区，持续监测超过15万颗恒星的亮度。2012年和2013年其四个反作用轮中的两个失灵，结束了这种固定观测，但团队构思了扩展任务K2，利用太阳光压稳定指向，并在2018年前探索了新的天区。总共，开普勒确认了超过2,600颗系外行星，并彻底改变了比较行星学。

2013-2025年: 盖亚

盖亚任务以无与伦比的测天精度绘制了银河系超过18亿颗恒星的地图，使得研究银河系三维动力学成为可能。由于缺乏用于稳定指向的冷气体，该卫星于2025年1月15日结束科学观测，随后被移至退役的日心轨道，并于2025年3月27日完全关闭。然而，对其数据的处理工作仍将持续多年：数据发布4预计在2026年发布，最终数据发布数据发布5预计在本年代末发布。

2018年: TESS

凌星系外行星巡天卫星正在搜寻邻近且明亮的系外行星。与观测固定遥远天区的开普勒不同，TESS以连续的扇区扫描几乎整个天空，瞄准适合后续观测的邻近明亮恒星。这种互补策略已识别出数千颗候选行星，可供其他仪器（尤其是詹姆斯·韦伯）进行详细表征。

2021年: 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST)

詹姆斯·韦伯代表了一项重大进步。凭借其发射时折叠、在轨像折纸般展开的6.5米分段镜面，以及由网球场大小的遮阳罩被动冷却至约−233°C的红外仪器，它正在观测大爆炸后形成的最早星系，分析系外行星的大气，并探索恒星形成过程。

太空望远镜的寿命和任务结束

多重因素和一个显著的例外

太空望远镜的寿命取决于许多因素：能源供应、热稳定性、传感器老化等。与地面天文台不同，它们一旦入轨通常无法维修或补给，但哈勃是一个显著的例外，它受益于当时美国航天飞机的五次维护任务。

运行寿命：预测常被超出

任务通常设计有3到10年的标称运行寿命，但由于系统的稳健性，许多仪器远超这些预测。例如，斯皮策运行了近17年，而不是计划的5年，而钱德拉和哈勃在发射二十多年后仍在运行。

任务结束的主要原因

导致任务结束的原因有多种 ：

• 燃料耗尽，无法进行轨道修正或维持拉格朗日点。正是这个因素导致盖亚在2025年1月结束观测，当时其稳定用的冷气体已耗尽。
• 极端温度循环导致的电子和光学元件热退化。
• 探测器老化（CCD、测辐射热计、光电二极管）影响光谱灵敏度。
• 通信中断或传输天线故障。
• 轨道限制: 对于低轨望远镜，大气阻力会导致轨道逐渐衰减。NEOWISE因缺乏维持高度的推进手段，在2024年8月8日退役后，于2024年11月1日在地球大气层中解体。

望远镜的归宿：离轨或墓地轨道

在运行寿命结束时，望远镜要么被离轨进行可控再入大气层（如2000年的康普顿和最近的2024年的NEOWISE），要么被留在稳定且远离的“墓地轨道”上，以避免污染活跃轨道。位于拉格朗日L2点的天文台，如詹姆斯·韦伯或Euclid，将遵循后一种程序。同样位于L2点的盖亚，已于2025年被移至退役的日心轨道，随后完全关闭。

消逝阶段：计划中的周期结束

工程师从设计之初就规划了逐步消逝阶段，以优化剩余能源的利用并确保安全关闭。这一步标志着一个技术周期的结束，但也为新一代性能更强的天文台的诞生做准备。

未来展望：从概念到采纳

几个长期处于概念阶段的大型太空望远镜项目，最近已向具体实现迈出了决定性的一步。

宜居世界天文台 (HWO)

NASA曾分别考虑的竞争概念LUVOIR和HabEx，在2021年底发布的十年调查（Astro2020 Decadal Survey）的建议下被合并。该机构目前正在开发一个统一的项目——宜居世界天文台，这是一个直径至少6米的分段镜面望远镜，在紫外、可见光和近红外波段进行观测。它被设计为一个可在轨维修的“超级哈勃”，旨在直接探测和表征邻近恒星宜居带内的地球大小行星，预计在2040年代发射。

NewAthena

2014年被ESA选中的欧洲项目ATHENA，在2023年因预算限制进行了重新规划，并更名为NewAthena。这个X射线天文台旨在研究超大质量黑洞的增长以及热而高能宇宙的结构，预计将于2027年由ESA正式批准，发射时间计划在2030年代末。

LISA，引力波的首个太空耳朵

经过数十年的研究，LISA（激光干涉仪空间天线）任务于2024年1月25日由ESA与NASA合作正式批准。它由三颗卫星组成，形成一个边长250万公里的等边三角形，将探测低频引力波，特别是超大质量黑洞并合产生的引力波。发射计划在2035年左右。