你對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，離不開(kāi)這些“深空之眼”!

出品：科普中國(guó)
制作：太空精釀
監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

進(jìn)入工業(yè)革命時(shí)代后，人類的科學(xué)技術(shù)水平突飛猛進(jìn)，對(duì)宇宙的認(rèn)知也快速提升。曾經(jīng)黑暗幽深的宇宙，在科學(xué)家眼中已經(jīng)變成了充斥著各種電磁波、高能粒子和引力波等的喧鬧世界（近年來(lái)，又增加了引力波這一手段）。為了尋覓這些電磁波和高能粒子中記錄的宇宙演化軌跡，各種觀測(cè)工具和手段也被相繼發(fā)明出來(lái)。

一、地球表面看宇宙：大氣屏障，干擾眾多

在近三百年各種觀測(cè)工具和手段發(fā)展過(guò)程中，最為人熟知的就是光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡。尤其是伽利略改造出的首個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡，讓人類第一次看清了地球附近的天體。這種望遠(yuǎn)鏡針對(duì)的就是人類肉眼最為熟悉的可見(jiàn)光頻段。

從地球表面觀測(cè)電磁波的頻譜窗口透明度，真正的有效觀測(cè)的窗口極小（圖源：公共版權(quán)+本文注釋）

然而，一段時(shí)間后，科學(xué)家體會(huì)到了在地球表面觀測(cè)宇宙中電磁波和高能粒子的難度。地球的濃厚大氣、電離層、臭氧層和地磁場(chǎng)等“聯(lián)合”起來(lái)，阻擋了宇宙中絕大部分高能粒子和電磁波抵達(dá)地表，讓人類“失明”“失聰”，只在可見(jiàn)光和無(wú)線電波附近留下了極其狹窄的頻譜窗口可以讓人類觀察宇宙。

因此，人類修建的望遠(yuǎn)鏡基本僅能集中于光學(xué)類和射電類，其中典型代表如我國(guó)的郭守敬望遠(yuǎn)鏡和FAST“天眼”，前者集中觀測(cè)370-900納米波長(zhǎng)的電磁波、主要為可見(jiàn)光，后者集中觀測(cè)10厘米-4.3米波長(zhǎng)的無(wú)線電波。對(duì)于其他頻段的電磁波，往往缺少有效的辦法進(jìn)行觀測(cè)。

但即便如此，光學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)也存在諸多不足。氣象條件、大氣流動(dòng)造成的“眨眼效應(yīng)”和折射等現(xiàn)象，極大影響著可見(jiàn)光頻段的觀測(cè)。城鎮(zhèn)化進(jìn)程帶來(lái)的光污染，大量人造地球衛(wèi)星反射光造成的污染，也成為天文學(xué)家近些年的“噩夢(mèng)”。而對(duì)于觀測(cè)窗口相對(duì)較大的無(wú)線電波頻段，越來(lái)越廣泛、越來(lái)越強(qiáng)烈的移動(dòng)通信、電視廣播等也造成了很大干擾，為了保證射電望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)，往往還需要在附近建立巨大的“寧?kù)o”區(qū)。

近些年讓天文學(xué)家頭疼的事情之一就是越來(lái)越多的低軌衛(wèi)星星座，圖為CTIO望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)中被星鏈衛(wèi)星的干擾。圖中顯示的是2019年11月的情況，彼時(shí)，星鏈剛在起步測(cè)試階段，到未來(lái)完全建成后達(dá)到數(shù)萬(wàn)顆，巨大影響不容忽視（圖源：CTIO）

于是，很多天文學(xué)家很早就提出了將望遠(yuǎn)鏡搬出大氣層、送入太空的想法。但直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，人類才開(kāi)始基于德國(guó)V2火箭技術(shù)真正開(kāi)始探索航天事業(yè)發(fā)展。1946年，著名天文學(xué)家萊曼·施皮茨在論文中全面論述了太空望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)60年代起，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和蘇聯(lián)太空計(jì)劃等進(jìn)行了一系列太空望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)，例如1962-1972年間美國(guó)的軌道太陽(yáng)天文臺(tái)系列任務(wù)，1965-1968年間蘇聯(lián)的質(zhì)子宇宙射線和粒子探測(cè)系列衛(wèi)星，1973-1979年的美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室空間站也攜帶了一個(gè)巨大的阿波羅太空望遠(yuǎn)鏡。它們共同驗(yàn)證了太空望遠(yuǎn)鏡在太陽(yáng)和更廣袤的宇宙觀測(cè)方面的巨大潛力，為人類開(kāi)啟太空望遠(yuǎn)鏡時(shí)代打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，NASA總共進(jìn)行了六次航天飛機(jī)任務(wù)，付出了巨大代價(jià)

二、太空望遠(yuǎn)鏡：航天與天文學(xué)結(jié)合的極致

早期的太空望遠(yuǎn)鏡主要為解決地球上最難以實(shí)現(xiàn)的高頻電磁波和高能粒子的觀測(cè)問(wèn)題，尤其是伽馬射線、X射線、紫外線和高能粒子等。高頻電磁波和高能粒子往往代表著宇宙中最激烈的天文現(xiàn)象，例如伽馬射線暴反映出了大質(zhì)量恒星塌縮為黑洞、中子星合并和超新星爆發(fā)等現(xiàn)象。事實(shí)證明，以康普頓、雨燕、錢德拉、費(fèi)米等為代表的太空望遠(yuǎn)鏡極大地助力了相關(guān)天文學(xué)研究的發(fā)展，這個(gè)領(lǐng)域也誕生了最多的太空望遠(yuǎn)鏡。直到今天亦是如此，其中，我國(guó)近期發(fā)射的“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星和“悟空”暗物質(zhì)粒子（高能粒子）探測(cè)衛(wèi)星，為這個(gè)領(lǐng)域做出了巨大的貢獻(xiàn)。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡飛行時(shí)的全景圖（圖源：NASA）

在可見(jiàn)光觀測(cè)方面，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡則成為了所有太空望遠(yuǎn)鏡中的“超級(jí)明星”。自1990年升空后，它已經(jīng)為人類服役了超過(guò)30年，極大地改變了人類天文學(xué)的發(fā)展進(jìn)程，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的經(jīng)典圖片也成為了許多公眾關(guān)注天文學(xué)、喜歡天文學(xué)的契機(jī)。

它的成功，恰恰是人類航天技術(shù)與太空望遠(yuǎn)鏡技術(shù)完美結(jié)合的最佳案例。一方面，軍方對(duì)光學(xué)類偵察衛(wèi)星（例如日冕、鎖眼）的需要和投入促成了一整套完善的高端產(chǎn)業(yè)鏈，例如珀金埃爾默、柯達(dá)、康寧等知名公司，它們可聯(lián)合生產(chǎn)大尺寸、高分辨率、多觀測(cè)頻段、極低膨脹率、質(zhì)量低的鏡片；另一方面，航天飛機(jī)項(xiàng)目在20世紀(jì)70年代末已經(jīng)逐漸成型，它擁有超大尺寸的機(jī)艙（18.3米長(zhǎng)、4.6米直徑）和約24噸近地軌道載重量，自身機(jī)動(dòng)能力極強(qiáng)，可完成多種近地軌道任務(wù)。同時(shí)，它也是人類史上發(fā)射期間負(fù)荷和震動(dòng)最小的航天器，使得可裝載載荷的設(shè)計(jì)空間大幅提升，更適合發(fā)射極其精密的太空望遠(yuǎn)鏡。不僅如此，航天飛機(jī)還是人類史上唯一能進(jìn)行大規(guī)模太空維修的航天器。我們回顧過(guò)去的時(shí)候更加確信，正是航天飛機(jī)這方面的能力多次拯救了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。

為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，NASA總共進(jìn)行了六次航天飛機(jī)任務(wù)，付出了巨大代價(jià)

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最初被設(shè)計(jì)為一個(gè)主鏡片直徑2.4米，擁有廣域和行星照相機(jī)、高解析度攝譜儀、高速光度計(jì)、暗天體照相機(jī)和暗天體攝譜儀等核心儀器的龐然大物。它長(zhǎng)13.2米、直徑4.2米、總重11.1噸，運(yùn)轉(zhuǎn)在傾角為28.5度的近地軌道。然而，當(dāng)它被發(fā)射升空后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)珀金帕爾默生產(chǎn)的巨大主鏡片出了問(wèn)題，鏡片邊緣和設(shè)計(jì)尺寸相比，少了2.2微米。雖然這僅是鏡片直徑的百萬(wàn)分之一級(jí)別，但對(duì)于需要觀測(cè)動(dòng)輒數(shù)億光年外天體的哈勃而言，完全無(wú)法接受。最后，科學(xué)家們做出的選擇是利用航天飛機(jī)在太空中直接維修，給近視眼的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡“戴”上一副“眼鏡”（太空望遠(yuǎn)鏡光軸補(bǔ)償矯正系統(tǒng)COSTAR）。隨后，航天飛機(jī)多次維護(hù)和更新哈勃，幾乎在太空中重造了它，也使得它能工作至今，一次次攀登上人類天文學(xué)研究的高峰。目前，我國(guó)也計(jì)劃發(fā)射一個(gè)類似哈勃的巡天望遠(yuǎn)鏡，長(zhǎng)期與未來(lái)的天宮空間站共軌飛行。

凌星法探測(cè)系外行星效果，通過(guò)亮度變化確定行星出現(xiàn)（圖片修改自：NASA）

三、可見(jiàn)光和紅外觀測(cè)：洞察人類的未來(lái)

可見(jiàn)光觀測(cè)也是人類探索遙遠(yuǎn)地外生命存在可能性、尤其是系外行星的重要研究方式。其中的典型代表是開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡。它主要基于凌星法開(kāi)展研究，即行星擋在恒星前面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致恒星的亮度稍微降低，如果觀測(cè)到連續(xù)三次凌星，就可以確定它是顆凌星行星，從而得到它的軌道周期、大致大小等信息。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了近3000顆系外行星，占人類迄今為止所有發(fā)現(xiàn)的70%以上，甚至包括類似太陽(yáng)系的開(kāi)普勒-90星系（它與太陽(yáng)系類似，而且也擁有八大行星）。毫不夸張地說(shuō)，開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡以一己之力改變了這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。凌星法對(duì)光學(xué)觀測(cè)的精度要求頗高，像開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度，就達(dá)到了驚人的0.01%星等。

紅外線和微波觀測(cè)，也成為近些年太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的最熱門方向。大家耳熟能詳?shù)挠钪嫖⒉ū尘拜椛浜图t外線背景輻射研究，就離不開(kāi)斯皮茨、赫歇爾、威爾金森和普朗克等著名太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這個(gè)領(lǐng)域也即將誕生人類歷史上最貴的太空望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡主要集中于觀測(cè)波長(zhǎng)為0.6-28.3微米的紅外線頻段，目前預(yù)算已經(jīng)接近100億美元！當(dāng)然，物有所值，在驚人的資金投入的支持下，它所使用的是一系列目前人類太空望遠(yuǎn)鏡和航天領(lǐng)域的極致技術(shù)。

詹姆斯·韋布看起來(lái)猶如太空中的一艘巨型戰(zhàn)艦（圖片來(lái)源：NASA）

詹姆斯·韋布的鏡面設(shè)計(jì)要求是6.5米口徑，這個(gè)大小超過(guò)了火箭發(fā)射的尺寸限制。因此，科學(xué)家選擇的方案是加工18面一模一樣的六邊形，折疊起來(lái)，進(jìn)入太空后再展開(kāi)。這就導(dǎo)致鏡片必須用抗彎剛度高、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率高、密度低的堿土金屬鈹制作，拋光精度更是要求達(dá)到10納米級(jí)！這相當(dāng)于幾十個(gè)鈹原子擺在一起的寬度。它還需要攜帶一把五層“太陽(yáng)傘”隔絕熱量，每層完全展開(kāi)時(shí)占地大小有300平米左右，但厚度僅25微米或50微米（第一層），這個(gè)厚度甚至小于人的頭發(fā)直徑。

鏡子和遮陽(yáng)板都需要先疊在一起，“塞”進(jìn)火箭里，再被送到距離地球150萬(wàn)千米外的日地拉格朗日L2點(diǎn)，最后，按要求展開(kāi)。由于航天飛機(jī)早已全部退出歷史舞臺(tái)，詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡也基本沒(méi)有太空維修的可能性。正因如此，預(yù)計(jì)將在2021年11月執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的歐空局阿里安5火箭壓力可想而知。毫無(wú)疑問(wèn)，順利發(fā)射、展開(kāi)后，它將讓人類對(duì)宇宙的認(rèn)知進(jìn)入新的階段。

“地球是所有人類的搖籃”，她的質(zhì)量約為太陽(yáng)的33萬(wàn)分之一，距離太陽(yáng)約1.5億千米，光線約8分鐘即可抵達(dá)。而人類目前已觀測(cè)到的宇宙半徑，已經(jīng)達(dá)到了465億光年，這是光線用465億年跨過(guò)的旅程。由于宇宙膨脹，它甚至遠(yuǎn)大于宇宙約138億年的壽命。雖然，地球只是太陽(yáng)系中不起眼的暗淡藍(lán)點(diǎn)，而整個(gè)太陽(yáng)系在宇宙中其實(shí)都無(wú)比渺小。但是，正如航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基對(duì)地球搖籃的下一句評(píng)論一樣，“人類不可能永遠(yuǎn)生活在搖籃里”，我們需要將視線望向宇宙深空，我們必須將視線望向更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)方，最終邁向星辰大海。太空望遠(yuǎn)鏡，就是人類望向深空的眼睛，指引著我們前行的方向。