太空望遠鏡：與眾不同的成像方式

不久前，美國宇航局正式發(fā)布了韋伯太空望遠鏡拍攝的第一批照片，其中一張是包含數(shù)千個星系的星系團SMACS0723，拍攝到了比哈勃太空望遠鏡極深場照片中更微弱的星系，是人類迄今為止拍攝的最遙遠、最清晰的宇宙深空圖像。那么，太空望遠鏡是如何拍下這些遙遠的星系照片？它和我們常見的照相機拍照又有什么不同？

韋伯望遠鏡示意圖

地面拍攝受大氣干擾嚴重

德國哲學家康德曾表示：“有兩種東西，我對它們的思考越是深沉和持久，它們在我心靈中喚起的驚奇和敬畏就會日新月異并不斷增長，這就是我頭上的星空和心中的道德律”。

人類天性就對星空充滿好奇和向往，渴望了解更多的奧秘和知識，但肉眼的觀測能力太弱，從伽利略時代簡陋的望遠鏡開始，人類已經(jīng)建立了不計其數(shù)的地基望遠鏡。目前，歐美國家正在建造30米和40米級的超大口徑地基望遠鏡，它們將極大地擴展人類看宇宙的視野。

然而，復雜多變的大氣層是地基望遠鏡觀測的攔路虎，即使我們手拿雙筒望遠鏡或廉價的初級天文望遠鏡，也時常會遇到云雨霧風等氣象的干擾，而大氣湍流活動帶來的擾動，不僅讓肉眼看到的星星不斷閃爍，且在望遠鏡中閃爍跳動的更為厲害。

視寧度是指望遠鏡中影像的清晰度，用于衡量大氣湍流的擾動程度，受到視寧度影響，地面望遠鏡的分辨率極限在1角秒左右，遠遠小于望遠鏡的衍射極限。

隨著自適應光學技術的出現(xiàn)，視寧度不再是無法逾越的攔路虎，但大氣層對很多波段光波的吸收，卻讓地面望遠鏡束手無策，厚厚的大氣層已經(jīng)吸收了紅外等波段的光波，而宇宙大爆炸后的快速膨脹，導致宇宙早期的星光嚴重紅移到紅外波段，地面望遠鏡造得再大也是巧婦難為無米之炊。

韋伯望遠鏡示意圖

為看得更清晰、更深遠，了解更多星空和宇宙的奧秘，科學家提出了發(fā)射太空望遠鏡的想法，這樣就不再受到大氣困擾，可以把大型望遠鏡的光學能力發(fā)揮到極限。

人們在地面使用相機拍攝星空，無論是手機、單反和望遠鏡的攝像頭，還是科學家使用的超級望遠鏡和高性能CCD傳感器，都看不到被大氣層吸收的紅外光，無法像哈勃太空望遠鏡那樣看到來自宇宙大爆炸早期遙遠而微弱的星光。

不同材質(zhì)成像有差別

光學望遠鏡可分為折射和反射兩大類，以及混合的折反射系統(tǒng)。我們最常見和常用的光學望遠鏡是使用折射原理成像的手機攝像頭和單反相機鏡頭。雖然折射光學系統(tǒng)簡單可靠，但也有無法避免的問題：色差和重量。

折射光學系統(tǒng)中，光線穿過凸透鏡本體，對鏡片透光能力要求高，而透光材料對不同波段的光折射能力不一樣，很容易出現(xiàn)色差。

望遠鏡制造者很早就發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，因此使用不同材料鏡片，研制了折射望遠鏡，基本解決了色差問題。然而，為獲得更好的聚光能力，以觀測更微弱的星辰，望遠鏡口徑越造越大，折射鏡的鏡片也越來越重。同時，折射鏡巨大的透鏡磨制很困難且極易變形，讓它們基本退出了天文觀測領域。

太空望遠鏡對體積和重量要求極高，它們清一色的使用反射式光學系統(tǒng)，和手機、相機鏡頭的光學系統(tǒng)大相徑庭。

反射式望遠鏡成像時，光線不需要透過主鏡，而是通過反射聚焦成像，擺脫了色差困擾。反射式望遠鏡的鏡片只需要加工一個反射面，加工制造簡單且鏡片重量輕，更容易造出更大口徑的望遠鏡。

反射望遠鏡的優(yōu)勢讓它快速成為了天文望遠鏡的主流。為獲得更好的成像質(zhì)量，美國的哈勃太空望遠鏡和韋伯太空望遠鏡選擇了里奇-克萊琴式雙曲面反射鏡設計，而我國正在研制的巡天望遠鏡使用了無遮擋的離軸三反射設計，具有更好的成像質(zhì)量。這些高性能的反射成像系統(tǒng)，在普通相機甚至業(yè)余望遠鏡上都是極為罕見的。

對太空望遠鏡來說，其鏡片還需要考慮太空極大的溫差環(huán)境，因此會選擇熱膨脹系數(shù)極低的鏡片材料，也要考慮運載火箭發(fā)射時的加速度和振動，所以材料還要有一定彈性。

哈勃望遠鏡使用了超低膨脹系數(shù)的石英玻璃,而韋伯望遠鏡選擇金屬鈹做鏡片材料，歐洲和我國的太空望遠鏡更偏愛膨脹系數(shù)和密度都低的碳化硅材料。

韋伯望遠鏡等紅外望遠鏡還要減弱本身發(fā)出的紅外線，它的中紅外相機要主動制冷降低到6k的超低溫下，這和地面普通相機有著天壤之別。

新概念望遠鏡成像更獨特

哈勃望遠鏡開創(chuàng)了空間天文學的新時代，而韋伯望遠鏡又向人們展示了宇宙大爆炸初期遙遠而暗淡的星系。如今，科學家為探測更多宇宙奧秘，很多新概念望遠鏡已經(jīng)或即將成為現(xiàn)實，它們使用了奇異的成像方式，將為人類帶來更多科學探測驚喜。

哈勃太空望遠鏡

在韋伯望遠鏡發(fā)布首張照片的記者會上，美國宇航局局長比爾·納爾遜做了一個形象比喻：“韋伯拍攝的這張照片覆蓋的星空范圍，相當于你在一臂之遙的距離上看到指尖上的一粒沙子?！?/p>

哈勃望遠鏡極深場和韋伯望遠鏡的深場照片，都是在極小的范圍內(nèi)窺探遙遠和暗淡的天體，通俗地說就是詳查，但天文學不僅關注星空的某一粒“沙子”，也關心宇宙大范圍的詳情，這就需要有負責普查的巡天望遠鏡。

歐空局負責巡天任務的歐幾里德望遠鏡即將發(fā)射升空，我國的巡天光學望遠鏡也將在2023年發(fā)射，美國的羅曼望遠鏡也用于巡天觀測，它們的特點都是視場寬廣。

太空望遠鏡最激進的設想，當屬美國的類地行星發(fā)現(xiàn)者（TPF）望遠鏡概念。目前，中國投資參與了平方公里陣列射電望遠鏡（SKA），它是由3000多個15米直徑天線組成的天線陣列，通過甚長基線干涉技術獲得高分辨率的射電圖像。

SKA工作的波段很長，而可見光甚至紅外線的波長很短，進行干涉成像的難度極高，TPF就是一個可見光干涉陣列的太空望遠鏡概念。它通過革命性的成像技術，能夠直接拍攝遙遠的系外行星，測量系外行星的大小、溫度等信息，為人類解答是否存在系外生命的問題。